Porosidad efectiva de los materiales granulares Jorge González Chan, Jean Carlo De León Licenciatura en Tecnología Química Industrial, Escuela de Química, Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y Tecnología, Universidad de Panamá. Fecha de entrega: 9 de septiembre de 2011. Introducción
Todo sólido, en principio, presenta algún grado de porosidad, detectable o no, resultante de la existencia de cavidades, canales o intersticios. La porosidad de un material ejerce influencia sobre alguna de sus propiedades físicas, físicas, tales como densidad, conductividad térmica y resistencia térmica. Como consecuencia, el control de la estructura porosa es de gran importancia, por ejemplo, en el diseño de catalizadores, adsorbentes industriales, membranas y cerámicas. Los poros pueden ser clasificados clasificados como abiertos o cerrados, según su disponibilidad de contener a un fluido externo. La porosidad también puede ser una característica característica inherente de la estructura cristalina, como en el caso de las zeolitas y de los materiales laminares. En tales casos, la porosidad intracristalina generalmente asume dimensiones moleculares, presentando arreglos bastante regulares. regulares. Es importante reconocer que, con el aumento del conocimiento conocimiento químico sobre los sólidos porosos, muchas matrices pudieran ser sintetizadas por métodos de pr eparación relativamente simples y que utilizan insumos de bajo costo. Debido a las características físicas y químicas descritas, los materiales porosos pueden ser planeados y sintetizados sintetizados para que tengan tengan aplicaciones ambientales como por ejemplo, el saneamiento y remediación de efluentes. efluentes. El desarrollo de materiales porosos con alta capacidad de adsorción y que puedan reciclarse y reutilizarse se está tornando un gran desafío, principalmente en el campo de la química verde [1]. En esta experiencia definimos propiedades de los materiales con lo que trabajamos, como el volumen de poros (efectivos) en la muestra, el cual es la diferencia entre el volumen total de la muestra y el volumen de la fracción sólida de la misma: =− La porosidad se define como: = donde es la porosidad (generalmente se presenta en términos de porcentaje), es el volumen de espacios en una unidad de suelo, y es el volumen del material poroso usado como referencia para el análisis. También se puede definir el volumen de las partículas sólidas o fracción sólida de la muestra, como: =0 0 es la masa de la muestra seca, y es la densidad de las partículas sólidas sólidas o la fracción fracción sin porosidades porosidades del material.
La densidad natural (o aparente) del material poroso se define como: =0 Materiales y procedimiento
Equipo: probetas de 250 y 100 mL, vasos químicos, 3 muestras de materiales granulares, agua destilada, balanza con sensibilidad sensibilidad superior a 0,1 g, espátulas, embudos. Parte experimental
La porosidad se determina en el laboratorio utilizando una muestra de volumen aparente conocido. 1. La muestra se seca en un horno a 105 °C hasta que alcance un peso constante. Esto Esto elimina todo el contenido de humedad desde los poros, pero no a quella agua contenida en algunos minerales que componen la muestra. 2. Seguidamente se introduce en una probeta una muestra de masa y volumen conocidos. Verificar que el material granulado quede uniformemente distribuido y que el volumen sea estable. 3. Luego se adiciona un volumen de agua igual o aproximado a la muestra. Debe agregarse lentamente y verificando que no queden oclusiones de aire entre los intersticios del material que afecten el resultado, es decir, que el material “se moje” y se sature completamente. La suma de los volúmenes de la muestra y del agua a mezclar no debe ser superior a la capacidad de la probeta graduada que se utiliza en el proceso. 4. Una vez que se estabilizan las dos fases, se procede a determinar el volumen de la fracción sólida y el volumen de poros, .
Resultados Cuadro 1: Datos experimentales finales
Grava
Arena
Piedras
Vw(ml)
n
ɣd(g/ml)
ɣs(g/ml)
W0(g)
3.5 3.5 3.0 4.82 3.5 4.5 37.0 38.0 38.0
0.35 0.35 0.3 0.482 0.35 0.40 0.411 0.422 0.422
1.638 1.581 1.557 1.638 1.603 1.633 1.472 1.461 1.501
2.52 2.432 2.224 3.162 2.466 2.72 2.499 2.526 2.61
16.38 15.81 15.57 16.38 16.03 16.33 132.47 131.35 135.05
Cuadro 2: Análisis de los datos experimentales Propiedades Grava Arena Vw(ml) Promedio 3,3 ± 0,3 4,3 ± 0,7 % RSD 8,7 16,1 n Promedio 0,30 ± 0,0 0,400 ±0,1 %RSD 8,7 16,2 ɣd(g/ml) Promedio 1,592 1,625 ±0,042 ±0,019 %RSD 2,61 1,17 ɣs(g/ml) Promedio 2,392 2,783 ±0,152 ±0,352 %RSD 6,35 12,66 W0(g) Promedio 15,92 16,25 ±0,42 ±0,19 %RSD 2,61 1,17
Piedras 37,3 ± 0,6 1,5 0,400 ±0,0 1,5 1,478 ±0,021 1,40 2,545 ±0,058 2,27 132,96 ±1,90 1,43
Discusón de resultados En el Cuadro 1 se observa los resultados finales de las mediciones y los cálculos realizados, basados en las ecuaciones previamente descritas en la introducción. En el Cuadro 2 se muestra el análisis de los resultados, enfocándonos en la exactitud y precisión de las mediciones efectuadas y en una comparación relativa de las propiedades determinadas para cada uno de los materiales. Los materiales con mayor porosidad resultaron ser la arena y las piedras. La mayor densidad natural o aparente la tiene la arena, seguido de las piedras y la grava. Los valores de densidad de partículas sólidas se parecieron bastante pero el mayor fue el de la arena, aunque esta determinación posee un %RSD muy alto, lo que indica que esta determinación tal vez no resultó ser muy precisa. Entre todas las mediciones, la más precisa resultó ser la de la masa seca de arena ya que tuvo el %RSD más bajo, esto se debe probablemente al fácil manejo de la muestra al momento de pesarla. Sin embargo, la determinación que obtuvo la precisión más baja fue la de la densidad de partículas sólidas de arena, causada probablemente por la difícil manipulación de la arena al momento de calcular el volumen de poro adicionando agua. Cuestionario 1. Investigue sobre la Ley de Darcy de flujo en medios porosos. Sus principios y aplicaciones. R/. La Ley de Darcy fue establecida por Henry Darcy, quien estaba estudiando el diseño de filtros para purificar el agua, así que se interesó por los factores que influían en el flujo del agua a través de los materiales arenosos. Darcy utilizó un aparato denominado permeámetro de carga constante. Básicamente un permeámetro es un recipient de sección constante por el que se hace circular agua conectando a uno de sus extremos un depósito elevado de nivel constante. En el otro extremo se regula el caudal de salida mediante un grifo que en cada experimento mantiene el caudal también constante. Finalmente se mide la altura de la columna de agua en varios puntos. Darcy encontró que el caudal que atravesaba el permeámetro era linealmente proporcional a la sección y al gradiente hidráulico. Es decir, variando el caudal con un grifo y/o moviendo el depósito elevado, los niveles del agua en los tubos
varían. Podemos probar también con permeámetros de distintos diámetros y midiendo la altura de la columna de agua en puntos más o menos próximos. Pues bien, cambiando todas las variables, siempre que utilicemos la misma arena, se cumple que: =×ó×ΔℎΔ Si utilizamos otra arena (más gruesa o fina, o mezcla de gruesa y fina, etc.) y jugando de nuevo con todas la variables, se vuelve a cumplir la ecuación anterior, pero la constante de proporcionalidad lineal es otra distinta. Darcy concluyó, por tanto, que esa constante era propia y característica de cada arena. Esta constante se llamó permeabilidad (K) aunque actualmente se denomina conductividad hidráulica [2]. Actualmente la ley de Darcy se expresa de esta forma: =− ℎ donde = Q/sección (es decir: caudal que circula por m 2 de sección) = conductividad hidráulica dh/dl = gradiente hidráulico expresado en incrementos infinitesimales 2. ¿Podría determinar con este método u otro similar la porosidad de un material no granular pero flexible con múltiples canales como es una esponja? R/. Consideramos que sería mejor realizar lo siguiente para determinar la porosidad de una esponja: a) determinamos el volumen físico de la esponja seca midiendo sus dimensiones, b) mojamos la esponja completamente en agua hasta que a bsorba suficiente agua para llenar sus canales, c) exprimimos el agua de la esponja en una bureta y medimos el volumen del agua, d) realizamos los cálculos correspondientes. 3. Mencione y explique cinco aplicaciones tecnológicas que tengan los materiales porosos. a) Agentes desecantes: porque adsorben el vapor de a gua. b) Eliminación de gases contaminantes: capturan en sus canales y adsorben gases. c) Catalizadores heterogéneos: en el cracking del petróleo. d) Separación de iones metálicos en purificación de agua. e) Eliminación de la dureza del agua al adsorber iones calcio y magnesio. 4. De una muestra de arena h úmeda se quieren determinar algunas de sus propiedades. La muestra ocupa un volumen de 540 cm3, y su peso es 1015 g. Después de secarla durante 12 horas en horno a 105 °C, su peso baja a 910 g y su densidad de partículas sólidas es 2,68 g/cm3.
a)
Determinar: Densidad natural o peso específico natural en base húmeda:
Dens. Natural = 1015 g/540 cm3 = 1,88 g/cm3 b)
Porosidad (utilizar como volumen total los 540 mL)
n = 910 g * (1mL/2,68 g) / 540 mL = 0,629 c)
Porcentaje de humedad natural en la muestra:
%H = 1015 g – 900 g / 1015 g *100% = 10,3 % Bibliografía [1] Ferreira, O.P.; Alves, O.L.; de Souza Macedo, J.; de Fátima Gimenez, I.; Silva Barreto, L. 2007. Ecomaterials: Development and application of functional p orous materials for environmental protection. Química Nova. Vol. 30. No. 2. 464-467. [2] Flujo en medios porosos: Ley de Darcy. ˂http://www.criba.edu.ar/agronomia/carreras/ia/archivos/Materias/5 79/archivos/aguassubterraneas/DARCY.pdf> [consultado el día jueves 2 de septiembre de 2010].
