Procesos productivos nanotecnológicos

Transcripción

Procesos Productivos Nanotecnológicos
Carlos Felipe Mendoza
CIIEMAD-IPN
* La nanotecnología ofrece nuevas prospectivas y
oportunidades.
* Es considerada como la cuna de una nueva
revolución industrial.
* El advenimiento de la nanotecnología ha provocado
el desarrollo de un sin número de aplicaciones y
productos nuevos.
* Se está incrementando el uso de nanomateriales en
productos de consumo.
[Toxicology 269 (2010) 160–169]
Colaboradores:
Dr. Fernando Chávez Ramírez (Nanoestructuras)
Dr. Placido Zaca Morán (Fibras ópticas)
Dr. Francisco G. Pérez Sánchez (Sensores)
C. Dr. Oscar Goiz Amaro (Sensores‐nanoestructuras)
Dr. Enrique Lima Muñoz (Resonancia magnética nuclear)
Dr. Carlos Ángeles Chávez (Microscopia)
Dr. Ramón Peña Sierra (Materiales)
Dra. Laura Meraz Cabrera (Residuos sólidos urbanos)
.Tec. Nicolas Morales (Instrumentación)
Que es una nanoestructura?
 Un material cuya estructura esta formada por capas o
agregados de átomos, con tamaños del orden de
nanometros.
Porque hacer y estudiar nanoestructuras?
 Propiedades físicas y químicas diferentes a las que
presentan en forma masiva:
* Propiedades electrónicas dependen del tamaño y forma de las nanoestructuras.
* Fabricar: sensores de gases, emisores de electrones, fármacos de liberación controlada, etc.

¿Que métodos existen para la síntesis de materiales?
¡Un montón! Sencillos y sofisticados
Métodos de mojado:
* Sol-gel
* Electrodeposición


•

Característica física del vapor:
* CVD asistido por aerosol (AACVD)
* CVD inyección directa de liquido (DLICVD)
Métodos de plasma:
* CVD asistido por plasma de microondas (MPCVD)
* CVD plasma-mejorado (PECVD)
* CVD de plasma remoto mejorado (RPECVD)
Otros:
* CVD de filamento caliente
* CVD metalorgánico
* Epitáxia en fase vapor….
Estructuras deseadas
Diseño de un sistema para la síntesis
Sistema de síntesis construido
Consumo de recursos naturales
Síntesis de nanoalambres de oxido de tungsteno por las técnicas
HFCVD y CSVT
Formación de nanoalambres
de oxido de tungsteno usando
las nanoesferas
Síntesis de
nanoalambres de
Fosfuro de Galio
(GaP)
Inventario de productos de consumo basados en nanotecnología introducidos en el
Mercado. The project on emerging nanotechnologies.
The Virginia Tech Center for Sustainable Nanotechnology worked with the Woodrow Wilson International Center
Adaptado
de
24%
2010-2013
(octubre)
http://www.nanotechproject.org/cpi
Figura 1. Número total de productos
por fecha de inventario
Figura 3. Número de productos de
acuerdo a la región
Figura 2. Número de productos de
acuerdo a la categoría
Figura 4. Número de productos
relacionados con materiales específicos
Algunos Nanoproductos
Francia 33 productos
Diorskin Forever compact
Company: Dior
Category: Health and Fitness > Personal Care
Origin: France
How much we know: “Al aplicarla se forma como
una nanotela similar a una segunda piel, la cual
siempre esta hidratada”
HYDRA ZEN® CREAM
Company: Lancome® (8 productos)
France
Categories: Health and Fitness
Subcategories:Cosmetics
Location of Nanomaterial: Suspended in
liquid
Coco Mademoiselle Fresh Moisture Mist
Company: Chanel®
Category: Health and Fitness > Cosmetics
Origin: France
How much we know: “Es una nanoemulsión de
nanoparticulas hidratantes ultraligeras que prolongan la
fragancia”
RevitaLift® Intense Lift Treament Mask (Loreal)
Origin: France
Shape/Dimensions: Nanoparticles, 100 nm
Location of Nanomaterial: Suspended in liquid
China 59 nanoproductos muchos basados en la plata
Alemania 311 nanoproductos muy diversos. Muchos
relacionados a la industria automotriz
Korea 137 nanoproductos
Daewoo® Refrigerator
Company: Daewoo® (Germany)
Category: Appliances > Large Kitchen Appliances
Category: Food and Beverage > Storage
Origin: Korea
Nanomaterial: Silver
Daewoo® Washing Machine
Company: Daewoo® (Germany)
Category: Appliances > Laundry & Clothing Care
Origin: Korea
Samsung® Organic Light Emitting Diodes (OLEDs)
Company: Samsung®
Category: Electronics and Computers > Display
Category: Electronics and Computers > Video
Origin: Korea
Nanomaterial: Organics
USA 828 nanoproductos
Agility Halter Dress
Company: Green Tee Apparel
Category: Health and Fitness > Clothing
Origin: USA
“Su tela repele los líquidos, resiste las arrugas, se seca rápido,
permite la transpiración, es antimicrobiana”
Aquafresh
Company: Aquafresh
Origin: USA
Nanomaterial: Titanium dioxide
Bebe/Enfant High Protection SPF 50
Company: Mustela®
Category: Health and Fitness > Sunscreen
Origin: USA
Nanomaterials: Titanium dioxide, Zinc oxide
Colgate
Company: Colgate
Origin: USA
Fiber One Cereal
Company: Fiber One
Category: Food and Beverage > Food
Origin: USA
Head and Shoulders 2 in 1 Shampoo
Company: Head and Shoulders
Origin: USA
Nanbabies® Face Masks
Company: Nanbabies®
Origin: USA
Pantene Classic Shampoo
Company: Pantene
Category: Health and Fitness
Origin: USA
Nanomaterial: Titanium dioxid
Beer Bottle Plastics
Company: Voridian
Origin: USA
Nanomaterial: Clays
How much we know: Botellas Imperm es un plástico impregnado de nanopartículas
de arcilla tan duras como el vidrio, pero menos propensas a romperse. La distribución
de las nanopartículas proporcionan una barrera entre las moléculas de dióxido de
carbono que están tratando de escapar de la bebida y de las moléculas de oxígeno
que están tratando de colarse, manteniendo la cerveza más fresca y dándole hasta
un máximo de seis meses la vida útil
Hite Brewery beers
Company: Honeywell
Origin: USA
Es tereftalato de polietileno (PET) dopadas con la resina de
nylon Aegis ® demostrar cerca de cero las tasas de
transmisión de oxígeno durante largos períodos de tiempo,
dependiendo de la barrera de carga
BlueMoonGoods™ Fresh Box Silver
Nanoparticle Food Storage Containers
Company: BlueMoonGoods, LLC
Origin: USA
México 1 nanoproducto
Deletum 5000 Anti-graffiti paint
Company: Victor Castaño
Category: Home and Garden > Paint
Category: Cross Cutting > Coatings
Origin: Mexico
La organización internacional para la estandarización
(ISO) mediante el comité ISO/TC 229
Nanotechnologies, tiene como tareas principales
desarrollar estándares para:
http://www.iso.org/iso/iso_technical_committee?commid=381983
* La terminología y nomenclatura
* La metrología e instrumentación, incluyendo
especificaciones para materiales de referencia
* Pruebas metodológicas
* Simulación y modelación
* Buenas prácticas para el cuidado del ambiente,
seguridad y la salud basadas en la ciencia.
ISO/TR 13121:2011. Evaluación del riesgo de los
nanomateriales
ISO/TR 12885:2008 Prácticas de seguridad en lugares
de trabajo relacionados con la nanotecnologías
ISO/TR 12901-1:2012 Gestión de riesgos laborales
relacionados a la fabricación de nanomateriales
TR. Technical Report
http://www.iso.org/iso/iso_technical_committee?commid=381983
* El D.F. Genera 12,709 ton/día de RSU.
•41.6% Reiduos orgánicos
* Se ha clausurado el bordo poniente.
* Los RO se llevan a la planta de composta
Ubicada en el mísmo bordo.
* Fraccion muy pequeña de los residuos valorizables
se llevan a las plantas de selección ubicadas en las
delegaciones
* El resto de los RSU se llevan a basureros del Estado
de México
¿Que es el plasma?
+ 4to estado de la materia
+ La forma más abundante de materia en el universo:
Se encuentra en los rayos y en las auroras boreales.
+Características diferentes a los estados sólido, liquido y gaseoso.
+ Similar a un gas cuyas partículas están ionizadas (cargadas eléctricamente)
+ Partículas No posee equilibrio electromagnético Buen conductor eléctrico
+ Se forma cuando la materia común se calienta a mas de 5000 ° C, produciendo fluidos o gases cargados eléctricamente.
+ La característica principal de estos gases ionizados es facilitar la transferencia
de calor y masa; y generar temperaturas de hasta 14000 °C.
+ La ionización de la materia para la formación del plasma se da por un proceso Llamado “proceso de cascada”:
Figura 1. Proceso de ionización en cascada
Tras una sucesión de numerosas colisiones se forman
Millones de electrones e iones a gran velocidad.
El arco de plasma:
+ La utilización practica del plasma a nivel tecnológico se basa en la creación del del “arco de plasma”.
Principio básico: Tubo de descargas eléctricas clásico. Cabina aislada que contiene
un gas a baja presión, atravesado por una corriente eléctrica cuando se le aplica un voltaje suficiente a sus electrodos.
Figura 2. Tubo de descargas eléctricas Figura 3. Curva V‐I de un tubo de descargas
eléctricas. A‐D Descarga oscura. Minimo de ionización. Radiación producida NO significativa
F‐H Descarga brillante. Plasma emite un ligero brillo y ocupa casi todo el volumen.
I‐K Descarga de arco. Plasma se concentra en el centro del tubo. Se produce mucha radiación
Figura 4. Transición de la descarga oscura (a)
a la descarga de arco (c).
En la región de descarga brillante (b):
* funcionan las lámparas de neón y las televisiones de plasma.
* Química analítica se usan estas
propiedades para el análisis elemental
y molecular de los s, l y g.
En la región de descarga de arco eléctrico (c) :
+ Ocurre en el espacio situado entre 2 electrodos conductivos y lleno de gas.
+ Se originan temperaturas elevadas capaces de derretir o vaporizar casi todos los materiales
+ Es la base tecnológica de las antorchas de plasma (versión avanzada de los tubos de descarga eléctrica).
+ Las antorchas de plasma son equipos industriales que permiten producir gases ionizados
a altísimas temperaturas mediante el control del arco eléctrico.
+ Rangos de potencia 75 kW – 10000 kW
+ Eficiencias del 90%
+ Normalmente se usa Ar y He como gas de
trabajo
Figura 5. Antorcha de plasma
+ La calidad del plasma producido depende de la densidad y la temperatura alcanzados.
+A mayor potencia mejor calidad del plasma
Las antorchas de plasma son medios eficientes para derretir sólidos o residuos en un periodo corto de interacción residuo‐plasma
El proceso de la gasificación por plasma en la eliminación de residuos
La gasificación:
+ Proceso termodinámico al cual se le suministra energía con la finalidad de romper
los enlaces moleculares de las sustancias solidad y liquidas.
+Se forman 3 subproductos:
* Un gas de síntesis limpio (Syngas)
Enfriado y purificado se usa como combustible para calderas y motores para producir electricidad.
* Lava fundida (producto vitreo al enfriarse) y
* Calor
+ Es una tecnología simple y probada comercialmente
+ Gasificación incompleta‐Temperatura de trabajo < 1700°C. Se generan subproductos como alquitranes, escorias o cenizas.
+Gasificación a altas temperaturas con antorchas de plasma. Logran disociación molecular
completa, evitando la presencia de subproductos tóxicos y la formación de dioxinas y
furanos.
Entonces es mas ventajosa que la incineración clásica; ya que:
* reduce las emisiones atmosféricas
* reduce el volumen de las escorias (debido al proceso de vitrificación)
Figura 6. Intervalo de temperaturas del proceso de gasificación por plasma
Craking térmico. Moléculas complejas se disocian en moléculas mas simples formando
hidrocarburos e hidrogeno
Oxidación parcial. Favorece la formación de CO, CO2 y H2O (efecto negativo sobre el
valor calorífico del syngas.
Reformación. C+H2O‐‐‐ CO +H2 favorece la formación de gas energético
CO2+C‐‐‐‐2CO disminuye el poder calorífico del syngas
En general si se desarrolla el proceso de gasificación entre 1700 y 4000 °C:
Se acelera la reacción, se reduce el tamaño del gasificador y se trabaja a presión atmosférica. Entonces se disminuyen los costos de fabricación y operación
El resultado final es que solo el CO2 y el H2 resisten las altas temperaturas que producen
Las antorchas de plasma. Eliminando cualquier otro compuesto de los residuos iniciales.
A temperaturas < a 2700°C pueden existir VOC (compuestos orgánicos volátiles)
Gracias a las T elevadas se habla de un proceso de fusión de moléculas inorgánicas y
transformación en lava tipo volcánica que al enfriarse forma un vidrio inerte, atrapando
en la red cristalina los compuestos potencialmente peligrosos como los metales pesados.
Por lo que este material es inocuo, no toxico y no posee lixivialidad.
El subproducto solido del proceso de gasificación se llama slag.
El peso del slag es el 20% del peso del residuo original.
El volumen del slag es el 6% del volumen del residuo original.
Diferentes formas del slag:
Arena formada Por enfriar
con agua Nódulos metalicos
Separados de la
arena
Slag enfriado
En aire
Lana de roca. Se produce
Apartir de rocas minerales
Derretidas y rotandolas
Aprovechamiento de nanorresiduos
Conjunto de
Procesos productivos
Fabricas
Otros
Basura
Incineración procesos
(nanoproductos) plasma
productivos
Residuos provenientes
de los procesos productivos
Singas
Lava fundida-Slags
Calor
Nuevos Productos
Fabricados
con otros procesos
productivos
Uso de
nanoproductos
Confinar
Análisis de ciclo de vida. Herramienta para cuantificar el daño
ambiental de procesos y productos
Gracias
Carlos Felipe
CIIEMAD-IPN
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