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Development and applications of molecular modeling techniques for the characterization of porous materials.

by Figueroa Gerstenmaier, Susana

Abstract (Summary)
RESUMEN Los materiales porosos se utilizan en muchas ramas de la ciencia y la tecnología, por ejemplo, se usan como catalizadores, en la separación de mezclas, en la purificación de fluidos, y en la fabricación de membranas. Su aplicación adecuada requiere de la caracterización precisa de sus propiedades superficiales y estructurales, además del conocimiento del comportamiento fisicoquímico de los fluidos cuando se encuentran dentro de los poros. Algunos materiales, como las zeolitas, tienen estructuras porosas bien definidas, pero otros en cambio (óxidos porosos, carbones, vidrios porosos con tamaño controlado) son bastante amorfos. Por lo tanto, una caracterización correcta de los materiales porosos es un área de estudio muy importante, la cual en algunos casos es una tarea sencilla pero en la mayoría no. Durante muchos años la adsorción de gases ha sido empleada para estudiar las propiedades de sólidos porosos, dado que es bastante fácil, simple y se puede obtener mucha información. Se han desarrollado muchos métodos para interpretar los datos experimentales y determinar la porosidad, las propiedades superficiales y la distribución de los tamaños de los poros de los materiales a partir de las isotermas de adsorción. En las dos últimas décadas, con la ayuda de las computadoras cada vez más rápidas, se ha extendido mucho el uso las técnicas de la mecánica estadística para realizar esta tarea. En este contexto, el objetivo general de esta tesis consiste en desarrollar herramientas a escala molecular utilizando la mecánica estadística para la caracterización de materiales adsorbentes. Después de una breve introducción en el tema (capítulo 1), el capítulo 2 está dedicado a hacer una revisión de la metodología básica empleada en este trabajo. En el capítulo 3 hemos implementado la teoría funcional de la densidad de medidas fundamentales (FMT, del inglés Fundamental-Measure density functional theory) de Kierlik y Rosinberg para describir la adsorción de moléculas Lennard-Jones dentro de poros cilíndricos. Hasta donde sabemos, ésta es la primera vez que esta teoría es aplicada a geometría cilíndrica. La exactitud de la teoría en predecir las isotermas de adsorción y los perfiles de la densidad es verificada por comparación con simulaciones Monte Carlo en el colectivo Gran Canónico para un amplio intervalo de tamaños de poros, observándose una buena concordancia en todos los casos. Adicionalmente, la teoría ha sido aplicada a la adsorción en poros planos para estudiar la influencia de los poros en esta propiedad. Los resultados indican que el confinamiento de la geometría cilíndrica introduce diferencias significativas en la forma de las isotermas de adsorción y de los perfiles de la densidad. Estas diferencias son relevantes para la caracterización de los materiales porosos. Nuestros resultados indican que un comportamiento de formación de capa tiene lugar en el poro cilíndrico, mientras que la adsorción en un poro plano del mismo tamaño necesita un potencial químico mucho más alto para alcanzar una adsorción significativa. Cuando el tamaño de poro se incrementa, la influencia de la geometría se vuelve menos importante, pero aún se observa un cierto desplazamiento del lugar en el cual se da la transición de la condensación capilar. Adicionalmente, para poros más anchos, tenemos formación de multicapas con condensación capilar a potenciales químicos altos, observándose el mismo comportamiento cualitativo en ambas geometrías. Cuando el diámetro alcanza el límite en donde los efectos de la curvatura ya no son relevantes, el comportamiento cuantitativo de los poros cilíndricos y de los planos es muy similar. La formación de una fina película adsorbida a tamaños de poro grandes e intermedios parece corresponder a una transición de fase termodinámica de segundo orden, para el intervalo de parámetros usado y a las condiciones termodinámicas estudiadas. Sin embargo, los resultados encontrados parecen indicar que existe una relación entre este comportamiento y el de una transición de pre-mojado observada en geometrías semi-infinitas, especialmente en la vecindad del punto final crítico de la línea de pre-mojado. El efecto del confinamiento es muy importante en este comportamiento de transición. A partir de la comparación de los cálculos hechos con FMT y los hechos con la teoría funcional de la densidad no-local, concluimos que la FMT es una excelente herramienta para el estudio del comportamiento de los fluidos en geometrías cilíndricas confinadas. En el capítulo 4 hemos aplicado la FMT en combinación con un método de regularización para estimar la distribución de tamaños de poros (PSD, del inglés Pore-Size Distribution) de materiales modelo que imitan a los vidrios porosos. Hemos elegido este material en particular porque fue desarrollado con técnicas de modelado molecular, y se puede hacer una comparación directa con la teoría aquí usada. Una ventaja adicional de estos materiales modelo, con respecto a los materiales reales, es que en este caso la forma y tamaño de los poros se conoce exactamente, además de que se sabe la posición de los átomos en la superficie, convirtiéndolo en un material ideal para verificar la exactitud de los métodos de caracterización teóricos disponibles. Dado que existen varias soluciones de la ecuación integral de adsorción compatibles con la isoterma de adsorción experimental, y que varios factores pueden ocultar los defectos del modelo molecular, hemos hecho la caracterización de una manera sistemática: primero hemos probado la exactitud de la FMT y del modelo de poros independientes para predecir las isotermas de adsorción experimentales usando la PSD geométrica ya conocida para estos materiales. Esto ha sido hecho tanto con los poros cilíndricos como con los planos. En segundo lugar, una vez que la isoterma de adsorción fue reconstruida, invertimos la isoterma integral de adsorción con un procedimiento de regularización. La exactitud del método de inversión ha sido verificado antes de estimar la PSD de los diferentes materiales. Finalmente, una vez que se ha establecido que el método es correcto, lo usamos para estimar las PSDs de estos cuatro materiales. Hemos estudiado también la influencia de elegir diferentes valores de los parámetros moleculares para la interacción fluido-fluido y para la sólido-fluido en el comportamiento de adsorción en estos sistemas. Los resultados indican que el modelo de poros independientes es adecuado para los cuatro materiales aquí investigados. La geometría plana parece representar el comportamiento de adsorción global mejor que la cilíndrica. En cuanto a lo que las PSDs obtenidas con nuestro procedimiento se refiere, las distribuciones resultantes a través de la inversión de la integral presentan una mejor concordancia con las distribuciones geométricas que las calculadas con el método Barrett-Joyner-Halenda (BJH). El máximo del pico está localizado en el mismo tamaño de poro, y las distribuciones son unimodales, mientras que las BJHs muestran un máximo sistemáticamente localizado a poros más pequeños, subestimando las PSDs del material, y éstas no son unimodales. Respecto a la geometría de los poros individuales que conforman el material, se puede decir, a pesar de que las PSDs son más dispersas que las geométricas, que la adsorción predicha por una colección de poros planos individuales tiene una concordancia casi cuantitativa con la isoterma de adsorción experimental. Finalmente, en el capítulo 5 hemos caracterizado tres muestras diferentes de g­alúmina, una de ellas sin ningún tratamiento, y las otras dos calcinadas en un horno durante varias horas a 823 y a 1,023K. Para ello hemos medido isotermas de adsorción de nitrógeno a 77.35K en un equipo Micromeritics ASAP 2000. Adicionalmente, hemos usado las PSDs calculadas con el método BJH que proporciona el software del mismo equipo experimental para comparar. Hemos calculado las isotermas teóricas utilizando la FMT. Hemos invertido las ecuaciones integrales de adsorción con el método de regularización y, finalmente, hemos obtenido las PSDs para las tres muestras de alúmina, y las correspondientes isotermas de adsorción. De esta manera hemos podido observar la influencia de la calcinación de la alúmina en su PSD. Más aún, hemos probado la exactitud del método combinado FMT/Regularización de una manera sistemática. Cuando hemos comparado las PSDs obtenidas con las correspondientes BJHs, hemos verificado que en los dos primeros casos (alúmina sin tratamiento y alúmina calcinada a 823K) el método BJH subestima el tamaño de los poros, dando PSDs desplazadas a tamaños de poros más pequeños. En el caso de la alúmina calcinada a 1,023K, en la cual el proceso de sinterización ha producido la desaparición de los poros más pequeños en beneficio de los grandes, las PSDs BJH y las PSDs FMT/Regularización son muy similares. Con esto corroboramos el hecho conocido de que el método BJH es bastante exacto en la región de los macroporos. Para terminar, hemos predicho la isoterma de adsorción de un fluido diferente (etano) a una temperatura también diferente (333K) en uno de los materiales caracterizados (alúmina sin tratar) con la idea de comprobar sí la PSD obtenida es transferible a otras condiciones o no. La concordancia observada muestra que es posible usar este método de caracterización y extrapolar los resultados a otras condiciones, procurando que se utilice un número suficiente de tamaños de poro diferentes para calcular la isoterma deseada, y se elijan bien los parámetros de interacción sólido-fluido.
This document abstract is also available in Catalan and English.
Bibliographical Information:

Advisor:Vega Fernández, Maria Lourdes

School:Universitat Rovira i Virgili

School Location:Spain

Source Type:Master's Thesis

Keywords:departament d enginyeria química

ISBN:

Date of Publication:12/13/2002

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