FRC-Tesis Doctoral Mención Materiales
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Item Desarrollo de metodología NIRS para la evaluación cuantitativa y cualitativa de fibras especiales de origen animal(2023) Amorena, José Ignacio; Fernández de Ahumada, Elvira; Álvarez, Dolores María EugeniaLas fibras, hilados y tejidos de llama y vicuña resultan fundamentales para la sostenibilidad ambiental, económica y cultural de la puna catamarqueña. Adicionalmente, el aumento de la demanda de estos productos hace necesario disponer de información con mayor detalle sobre el material ofrecido, así como verificar y asegurar su calidad y autenticidad. Las técnicas tradicionales de análisis son lentas, costosas, limitadas en cuanto al número de variables que evalúan y generan efectos negativos en el ambiente. En este sentido, esta tesis tiene como objetivo evaluar el potencial de la Espectroscopía en el Infrarrojo Cercano (NIRS, por sus siglas en inglés Near Infrared Spectroscopy) para el diagnóstico de calidad y autenticidad de fibras, hilados y confecciones de llama y vicuña. Para ello, en primer lugar, se llevaron a cabo ensayos para la optimización de los parámetros de adquisición de espectros NIR. Seguidamente, se evaluó la capacidad predictiva de modelos cuantitativos para determinar parámetros de calidad de fibras de llama y vicuña. Finalmente, se desarrollaron modelos discriminantes para la clasificación entre fibras, hilados y tejidos de distintos orígenes y la identificación de la composición de muestras confeccionadas como mezclas de materiales naturales. Se aplicaron métodos de preprocesamiento espectral y diferentes algoritmos de regresión y clasificación. Los modelos predictivos relacionados con la cuantificación de parámetros de calidad en fibras de llama tuvieron mejor desempeño que los de vicuña. En muestras de llama, para la Finura Media, mostraron una adecuada capacidad de estimación, siendo esta menos satisfactoria para Factor de Confort y Medulación. En las de vicuña, se logró estimar la Finura Media solo con modelos de limitado desempeño. Los resultados asociados a los modelos discriminantes fueron muy satisfactorios tanto para clasificar entre materiales textiles de distintos orígenes, como para identificar la composición de fibras, hilados y tejidos de llama y vicuña, en mezclas con otras fibras naturales. Los resultados de esta tesis permiten concluir que es posible emplear la tecnología NIRS para el diagnóstico de calidad y autenticidad de fibras, hilados y tejidos de las especies evaluadas, como metodología alternativa a los análisis tradicionales. De esta manera, dicha tecnología se constituye como una herramienta que puede contribuir al desarrollo del sector textil de camélidos en Argentina. Palabras Clave: Fibras Textiles, Llama, Vicuña, Espectroscopía Infrarrojo Cercano, NIRSItem Co-pirólisis de biomasa lignocelulósica con residuos plásticos para producir biocombustibles sustentables(2023) Rocha, María Victoria; Renzini, María Soledad; Pierella, LilianaEl aumento de la demanda de energía, la variabilidad de los precios de combustibles derivados del petróleo, los problemas medioambientales que se derivan de su utilización y su tasa de agotamiento de magnitud mayor a su ciclo de regeneración, resultan en una profundización de la exploración de materias primas alternativas y el reemplazo de los combustibles tradicionales. La actividad agropecuaria, una de las principales bases de la economía de Argentina, genera grandes volúmenes de residuos de biomasa lignocelulósica, materia prima prometedora para la producción de biocombustibles. Por ejemplo, la descomposición térmica de cáscara de maní produce rotura de enlaces liberando energía y obteniéndose productos finales de alto valor añadido. Sin embargo, debido a su estructura compleja, estos productos poseen un alto contenido de oxígeno, alto pH y bajo poder calorífico para su uso como combustibles; hecho que fuerza a encontrar alternativas que mejoren estas características. Una posibilidad para mejorar esta situación, es el agregado de co-reactivos que ayuden a bajar el contenido de oxígeno proporcionando átomos de hidrógeno. Entre las mejores opciones de co-alimentación podemos encontrar a la familia de los plásticos por sus largas cadenas ricas en carbono e hidrógeno. Además, la posibilidad de utilizar residuos plásticos contribuye a dar solución a la problemática de la disposición y tratamiento de este tipo de desechos. La presente investigación se orienta a valorizar dos fuentes de residuos, como son los desechos de biomasa lignocelulósica y los plásticos vertidos como basura, convirtiéndolos en productos de gran interés en las industrias e inclusive como fuentes de energías alternativas a los hidrocarburos fósiles. El objetivo se centra en la mejora de las características de los combustibles líquidos y gaseosos obtenidos mediante co-alimentación. Además, se analiza el uso de materiales catalíticos como medios que permiten mejorar el proceso de desoxigenación. El presente resumen tiene por objeto informar al lector sobre los contenidos desarrollados en esta Tesis. La misma está compuesta de 8 capítulos que se detallan a continuación. En el Capítulo 1 se presenta la Introducción, donde se describe la problemática actual respecto de la producción de energía, sus fuentes renovables y no renovables. Se habla de la problemática de los residuos lignocelulósicos y plásticos; se da un resumen de las alternativas termoquímicas de su valorización, y se detallan los productos obtenidos en el proceso de pirólisis. Además, se introducen conceptos teóricos acerca de los materiales empleados como vi catalizadores heterogéneos. Se presentan las características y propiedades fisicoquímicas y estructurales de los mismos. En el Capítulo 2 se presentan los objetivos generales y específicos propuestos para desarrollar en el transcurso del presente estudio de investigación. El Capítulo 3 presenta la caracterización de las materias primas utilizadas en esta investigación, para ello se detalla la metodología utilizada y los resultados obtenidos con diversas técnicas; tales como, Análisis Proximal, Análisis Elemental, Poder Calorífico Superior, Análisis Termogravimétrico, entre otras. En el Capítulo 4 se realiza el estudio de la co-pirólisis térmica de la cáscara de maní con el polietileno de baja densidad. En este capítulo se realiza un diseño de experimento que determina las variables en sus valores óptimos para llevar a cabo la investigación. A continuación, se caracterizan las tres fracciones de productos obtenidas (líquidos, gases y sólidos). El Capítulo 5 detalla la co-pirólisis catalítica. Por un lado, se describe la metodología empleada para la síntesis, modificación y caracterización de las zeolitas empleadas. Por otro, se analizan los resultados obtenidos con el uso de una zeolita sintética de estructura ZSM-11 y con el uso de una zeolita natural del tipo Clinoptilolita. El Capítulo 6 presenta el estudio cinético de la co-pirólisis de cáscara de maní con polietileno de baja densidad. A continuación, se analiza el mecanismo de obtención de productos aromáticos a partir de compuestos fenólicos de dicho proceso. En el Capítulo 7 se presenta un estudio de la valorización de residuos industriales generados en el proceso de reciclado de cartón. Para ello, se analizan los productos líquidos y gaseosos como alternativas para su uso como combustibles dentro de las empresas que los generan. Finalmente, en el Capítulo 8 se presentan las Conclusiones generales de esta Tesis y el Capítulo 9 cuenta los proyectos de transferencia que se ha logrado con la presente tesis, en lo que se está trabajando actualmente y las proyecciones futuras.Item Degradación de contaminantes emergentes presentes en efluentes acuosos, empleando catalizadores tipo ferritas(2023) Gerbaldo, María Verónica; Crivelli, Mónica Elsie; Mendieta , SilviaEn las últimas décadas, se viene registrando un incremento de la presencia de contaminantes emergentes en aguas residuales y efluentes industriales. Distintas técnicas de remediación han sido y siguen siendo utilizadas para el tratamiento de estas aguas contaminadas. Sin embargo, muchas de ellas no presentan la capacidad de eliminarlos, es por ello que el desarrollo de tecnologías eficientes y de bajo costo se ha convertido en un verdadero desafío. Entre estas tecnologías se destacan los procesos avanzados de oxidación como una opción prometedora, en especial combinados con la catálisis heterogénea. Estos procesos se basan en la generación de especies radicalarias de elevado poder oxidante, capaces de atacar a las moléculas de los contaminantes y destruirlas. Los óxidos de hierro por su parte, han sido ampliamente estudiados como catalizadores para dichos sistemas. Con esta premisa, la presente tesis doctoral se enfoca al desarrollo de materiales sólidos nanoestructurados, ferritas espinelas, para ser utilizados como catalizadores en procesos avanzados de oxidación aplicados a la degradación de contaminantes emergentes, en particular compuestos farmacéuticos y matrices polifenólicas, presentes en efluentes industriales y aguas residuales. Se sintetizaron tres series de ferritas con estructuras tipo espinelas obtenidas siguiendo la ruta de Pechini. Se estudiaron sus propiedades texturales y fisicoquímicas empleando múltiples técnicas de caracterización. Los catalizadores obtenidos fueron evaluados en la degradación de los compuestos farmacéuticos diclofenac sódico y carbamazepina empleando una amplia gama de condiciones experimentales. Además, el material que mostró la mejor performance fue testeado con un efluente real proveniente de la industria olivícola. Se presentan los resultados preliminares obtenidos para este proceso Se correlacionó la actividad catalítica observada en los materiales con las propiedades físicoquímicas y estructurales estudiadas. Así, se pudo profundizar el conocimiento en el campo de los materiales nanoestructurados, particularmente las ferritas con estructura tipo espinelas, las cuales presentaron resultados prometedores con grandes perspectivas de aplicación en el tratamiento de aguas residuales que contengan contaminantes emergentes empleando sistemas que involucren procesos avanzados de oxidación.Item Valorización de productos de la biomasa en químicos finos, aplicando catalizadores Metal Orgánicos Estructurados (MOFs)(2023) Bravo Fuchineco, Daiana Antonella; Crivelli, Mónica Elsie; Heredia, Angélica ConstanzaLa creciente tendencia al reemplazo parcial de los combustibles derivados del petróleo por aquellos provenientes de la revalorización de biomasa ha tomado recientemente gran importancia. En este contexto, la conversión de moléculas plataforma en productos químicos de alto valor agregado y combustibles líquidos es una estrategia importante para la utilización de los recursos de biomasa. En los últimos años, se investigan y desarrollan tecnologías alternativas que se denominan “refinerías de biomasa” para producir combustibles y aditivos para combustibles a partir de estos recursos debido a su sostenibilidad y, a menudo, bajo costo. El ácido levulínico (AL), considerado como una de las moléculas plataforma más prometedoras, ha sido reconocido como puente químico entre la biomasa y el petróleo. Ha demostrado un gran potencial para producir biocombustibles y aditivos de alta calidad, como los ésteres levulínicos. Estos son utilizados como aditivos de combustible debido a sus excelentes propiedades. Específicamente los levulinatos de metilo, etilo y butilo, ofrecen características a los combustibles como propiedades de flujo y chispa, lubricidad, estabilidad de punto de inflamación, etc. Además, promueven el proceso de combustión más limpio, con la reducción de contaminantes nocivos de escape, como CO, CO2, hidrocarburos, azufre, entre otros. Durante las últimas décadas, el área de los sólidos porosos se ha convertido en una de las más intensamente investigadas. Este gran interés se debe a que se ha encontrado un importante número de aplicaciones para estos sólidos en diferentes campos. Una nueva clase de materiales conocida como Metal-Organic Frameworks (MOFs), emergió hace aproximadamente dos décadas. MOFs es el término que recibe esta familia de sólidos híbridos capaces de formar estructuras extendidas en una, dos o tres dimensiones. Entre las aplicaciones más destacadas de estos materiales, se pueden nombrar: purificación, separación y almacenamiento de gases y catálisis de reacciones heterogéneas, entre otras. Dada la gran cantidad de combinaciones entre las unidades constructoras existentes: ligandos orgánicos y clústeres inorgánicos, es posible “diseñar” MOFs con características específicas. Recientemente, el uso de MOFs como catalizadores ácidos se ha explorado en la catálisis heterogénea y la reutilización del material ha sido posible conservando su actividad catalítica. La presente tesis doctoral fue realizada en el Centro de Investigación y Tecnología Química (CITeQ) UTN-CONICET, perteneciente a la Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Córdoba (UTN-FRC). Teniendo en cuenta lo antes expuesto, la investigación fue orientada a la síntesis y desarrollo de materiales metal-orgánicos estructurados (MOFs) para ser empleados como catalizadores heterogéneos en la reacción de esterificación del ácido levulínico, derivado de la biomasa, con diferentes alcoholes. La misma se encuentra dividida en ocho capítulos, en los cuales se exponen los procedimientos de síntesis de los materiales, las técnicas de caracterización y sus principios para conocer las propiedades fisicoquímicas, texturales y estructurales de los sólidos, además de las condiciones experimentales bajo las que se desarrollaron las reacciones de esterificación.Item Pirólisis catalítica de cáscaras de maní para la obtención de productos químicos de interés(2020) Fermanelli, Carla Soledad; Pierella, Liliana Beatriz; Saux, ClaraEn las siguientes páginas se presenta el estudio de la pirólisis catalítica de la cáscara de maní, como una alternativa de valorización de este residuo. La cáscara de maní constituye el principal desecho de la industrialización de la oleaginosa. Siendo Argentina el primer exportador mundial de maní, el país presenta una elevada disponibilidad de esta biomasa residual. El objetivo del presente trabajo es lograr la valorización de la cáscara de maní mediante procesos químicos catalíticos obteniendo productos de alto valor agregado e intermediarios de síntesis orgánicas. En el Capítulo I se presentan los posibles tratamientos de valorización de este residuo, tanto para la producción de energía, como para la generación de biocombustibles o de productos de mayor valor agregado. Entre las opciones estudiadas, la pirólisis de biomasa y la fabricación de carbón activado se presentaron como alternativas superadoras. El Capítulo II presenta los objetivos de este trabajo de tesis y la metodología empleada para alcanzarlos. En el Capítulo III se resumen los resultados de la caracterización física y química de la biomasa, determinando el contenido de cenizas, volátiles y carbono fijo, así como el comportamiento térmico y el Poder Calorífico Superior (PCS). También se determinaron la composición elemental (contenido de Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno y Azufre); las proporciones de biopolímeros (hemicelulosa, celulosa, lignina) y el contenido de hierro, calcio, silicio, potasio y aluminio. Morfología superficial, cristalinidad y grupos funcionales superficiales también fueron estudiados y caracterizados. Con los resultados de caracterización, en el Capítulo IV se presenta el estudio de la pirólisis térmica de la cáscara de maní para la generación de bio-oil, bio-gas y bio-carbón. Las reacciones se realizaron en un reactor de vidrio de lecho fijo a 5O0 °C. Se estudiaron los rendimientos de las diferentes fracciones, así como también la composición del bio-oil en cuanto a selectividad hacia hidrocarburos y compuestos de interés en la industria química fina. En relación a la fracción sólida, se estimaron los valores de Poder Calorífico Superior y área superficial BET. Con la finalidad de mejorar los resultados obtenidos mediante el proceso pirolítico puramente térmico, en el Capítulo V se presenta la síntesis y caracterización de zeolitas tipo ZSM-5, ZSM 11, Beta e Y. Estos materiales se modificaron mediante la incorporación de especies metálicas, con la finalidad de mejorar su actividad. En el Capítulo VI se presenta la evaluación de la actividad de las zeolitas sintetizadas, sobre la pirólisis catalítica de la cáscara de maní. Entre los parámetros estudiados se encuentran: balance de masas de los productos de reacción, composición del bio-oil y determinación de coque en los diferentes catalizadores. El efecto de zeolitas en forma protónica, mono y bimetálicas fue analizado en detalle, así como también la actividad catalítica de zeolitas naturales tipo clinoptilolitas. El furfural constituye una molécula plataforma de interés, cuya presencia fue observada en pirólisis térmicas y catalíticas. La oxidación de este compuesto puede dar origen a productos de mayor valor agregado. En este sentido, en el Capítulo VII se presenta la evaluación de la v actividad de zeolitas ZSM-5, ZSM-11, Beta e Y modificadas con Cu, sobre la oxidación de furfural en medio acuoso con peróxido de hidrógeno. Para dar un cierre a la valorización de las diferentes fracciones de la pirólisis, el Capítulo VIII presenta la síntesis de carbones activados tomando como materia prima para el proceso, el biocarbón producido durante la pirólisis. Por último, el Capítulo IX presenta las conclusiones arribadas como resultado de este trabajo de tesis.Item Desarrollo de catalizadores sólidos tipo zeolíticos para valorización de derivados de biomasa(2022) Bonetto, Luciana; Saux, Clara; Renzini, SoledadLas zeolitas representan a una familia de aluminosilicatos sólidos cristalinos microporosos compuestos por óxidos de silicio y de aluminio tetraédricamente coordinados formando una red tridimensional. La estructura de las zeolitas presenta canales y cavidades de dimensiones moleculares en las cuales se encuentran los cationes de compensación, moléculas de agua u otros adsorbatos. Este tipo de estructura microscópica hace que las zeolitas presenten una superficie interna extremadamente grande. Por esta razón, estos materiales sólidos presentan una gran área superficial. Además se caracterizan por presentar fuerte acidez, tamaño de poros bien definidos y uniformes (dporo< 2 nm), elevada estabilidad térmica e hidrotermal, selectividad de forma para reactivos y productos y capacidad de intercambio iónico. Estas excelentes propiedades les permiten ser ampliamente aplicados como tamices moleculares y catalizadores heterogéneos en industrias petroquímicas y refinerías. No obstante, a pesar de estas magníficas características, en las reacciones químicas que involucran moléculas voluminosas su tamaño de poro acotado limita la difusión de reactivos y productos hacia y desde los sitios activos localizados en el interior de los poros. Frente a ello se plantea la necesidad de utilizar catalizadores con un mayor tamaño de poros (2 nm