Procesos Productivos Nanotecnológicos

Carlos Felipe Mendoza

CIIEMAD-IPN

* La nanotecnología ofrece nuevas prospectivas yoportunidades.

* Es considerada como la cuna de una nuevarevolución industrial.

* El advenimiento de la nanotecnología ha provocadoel desarrollo de un sin número de aplicaciones yproductos nuevos.

* Se está incrementando el uso de nanomateriales enproductos de consumo.

[Toxicology 269 (2010) 160–169]

Colaboradores:

Dr. FernandoChávez Ramírez (Nanoestructuras)Dr. Placido Zaca Morán (Fibras ópticas)Dr. FranciscoG. 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 denanometros.

Porque hacer y estudiar nanoestructuras? Propiedades físicas y químicas diferentes a las que

presentan en formamasiva:* 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 construidoConsumo 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)

Figura 4. Número de productos relacionados con materiales específicos

Figura 3. Número de productos deacuerdo a la región

Figura 2. Número de productos deacuerdo a la categoría

Figura 1. Número total de productos por fecha de inventario

24%2010-2013 (octubre)

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

http://www.nanotechproject.org/cpi

Algunos Nanoproductos Francia 33 productos

Diorskin Forever compactCompany: DiorCategory: Health and Fitness > Personal CareOrigin: FranceHow much we know: “Al aplicarla se forma como una nanotela similar a una segunda piel, la cual siempre esta hidratada”

HYDRA ZEN® CREAMCompany: Lancome® (8 productos)FranceCategories: Health and FitnessSubcategories:CosmeticsLocation of Nanomaterial: Suspended inliquid

Coco Mademoiselle Fresh Moisture MistCompany: Chanel®Category: Health and Fitness > CosmeticsOrigin: FranceHow much we know: “Es una nanoemulsión de nanoparticulas hidratantes ultraligeras que prolongan la fragancia”

RevitaLift® Intense Lift Treament Mask (Loreal)Category: Health and Fitness > CosmeticsOrigin: FranceShape/Dimensions: Nanoparticles, 100 nmLocation 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® RefrigeratorCompany: Daewoo® (Germany)Category: Appliances > Large Kitchen AppliancesCategory: Food and Beverage > StorageOrigin: KoreaNanomaterial: Silver

Daewoo® Washing MachineCompany: Daewoo® (Germany)Category: Appliances > Laundry & Clothing CareOrigin: KoreaNanomaterial: Silver

Samsung® Organic Light Emitting Diodes (OLEDs)Company: Samsung®Category: Electronics and Computers > DisplayCategory: Electronics and Computers > VideoOrigin: KoreaNanomaterial: Organics

USA 828 nanoproductosAgility Halter DressCompany: Green Tee ApparelCategory: Health and Fitness > ClothingOrigin: USA“Su tela repele los líquidos, resiste las arrugas, se seca rápido, permite la transpiración, es antimicrobiana”

AquafreshCompany: AquafreshCategory: Health and Fitness > CosmeticsCategory: Health and Fitness > Personal CareOrigin: USANanomaterial: Titanium dioxide

Bebe/Enfant High Protection SPF 50Company: Mustela®Category: Health and Fitness > SunscreenCategory: Health and Fitness > CosmeticsOrigin: USANanomaterials: Titanium dioxide, Zinc oxide

ColgateCompany: ColgateCategory: Health and Fitness > Personal CareOrigin: USANanomaterial: Titanium dioxide

Fiber One CerealCompany: Fiber OneCategory: Food and Beverage > FoodOrigin: USANanomaterial: Titanium dioxide

Head and Shoulders 2 in 1 ShampooCompany: Head and ShouldersCategory: Health and Fitness > Personal CareOrigin: USANanomaterial: Titanium dioxide

Pantene Classic ShampooCompany: PanteneCategory: Health and Fitness Origin: USANanomaterial: Titanium dioxid

Nanbabies® Face MasksCompany: Nanbabies®Category: Health and Fitness > Personal CareOrigin: USANanomaterial: Silver

Beer Bottle PlasticsCompany: VoridianCategory: Food and Beverage > StorageOrigin: USANanomaterial: ClaysHow 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 beersCompany: HoneywellCategory: Food and Beverage > StorageOrigin: USAEs 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 ContainersCompany: BlueMoonGoods, LLCCategory: Food and Beverage > StorageOrigin: USANanomaterial: Silver

México 1 nanoproducto

Deletum 5000 Anti-graffiti paint

Company: Victor Castaño

Category: Home and Garden > PaintCategory: 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 compostaUbicada en el mísmo bordo.

* Fraccion muy pequeña de los residuos valorizablesse llevan a las plantas de selección ubicadas en lasdelegaciones

* El resto de los RSU se llevan a basureros del Estadode 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 transferenciade 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 cascadaTras  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 contieneun gas a baja presión, atravesado por una corriente eléctrica cuando se le aplica un voltaje suficiente a sus electrodos.

A‐DDescarga oscura. Minimo de ionización. Radiación producida NO significativaF‐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 2. Tubo de descargas eléctricas  Figura 3.  Curva V‐I de un tubo de descargaseléctricas. 

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 estaspropiedades para el análisis elementaly 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 ionizadosa altísimas temperaturas mediante el control del arco eléctrico.

Figura 5. Antorcha de plasma

+ Rangos de potencia 75 kW – 10000 kW

+ Eficiencias del 90%

+ Normalmente se usa Ar y He como gas detrabajo

+ 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 romperlos 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 molecularcompleta, evitando la presencia de subproductos tóxicos y la formación de dioxinas yfuranos.

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 formandohidrocarburos e hidrogeno

Oxidación parcial. Favorece la formación de CO, CO2 y H2O (efecto negativo sobre elvalor calorífico del syngas.

Reformación.  C+H2O‐‐‐CO +H2       favorece la formación de gas energéticoCO2+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 producenLas 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 ytransformación en lava tipo volcánica que al enfriarse forma un vidrio inerte, atrapandoen 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 enfriarcon agua 

Nódulos metalicosSeparados de laarena

Slag enfriadoEn aire

Lana de roca. Se produceApartir de rocas mineralesDerretidas y rotandolas

Basura(nanoproductos)

Conjunto deProcesos productivos

Residuos provenientesde los procesos productivosSingasLava fundida-SlagsCalor

Confinar

Aprovechamiento de nanorresiduos

Análisis de ciclo de vida. Herramienta para cuantificar el daño ambiental de procesos y productos

Nuevos ProductosFabricadoscon otros procesosproductivos

FabricasIncineraciónplasma

Uso denanoproductos

Otros procesos

productivos

Gracias

Carlos Felipe

CIIEMAD-IPN

cfelipe98@gmail.com