LOSGELESDECARBONOESTRUCTURASPARALAADSORCINDEIONESMETLICOSDISUELTOSENAGUA

RafaelFonseca1,LilianaGiraldo2,JuanCarlosMoreno1

1. DepartamentodeQumica.FacultaddeCiencias.UniversidaddelosAndes.Carrera1esteNo18A10,Bogot,Colombia.

2.DepartamentodeQumica.FacultaddeCiencias.UniversidadNacionaldeColombia.SedeBogot.Carrera30No4503,BogotColombia.

Lasestructurasqumicasqueseclasificancomogelessondos: losgeles inorgnicosylosgelesorgnicos.Losgeles inorgnicoshansidoampliamenteestudiadosyavancesrecientesenlatecnologadecermicashanhechoposiblemoldearlaslicayotrosxidosmetlicosatemperaturaambientemediantelatcnicasolgelyademssehademostradola posibilidad atrapar compuestos orgnicos en matrices inorgnicas al introducir elcompuesto deseado con los precursores del solgel. En la Figura 1 semuestra un gelinorgnicopreparadoconbaseenslice.Losgelesconbajadensidadyqueseobtienenporsecadodelossolventes,deacuerdoalascondicionesdesecadosedenominanxerogelesoaerogelesdecarbono,seempleanen la luchacontra la contaminacin,pudiendoemplearseporejemploparacontrolarunderramedepetrleoenelaguaoparapurificarelaire.Lasposibilidadesdeaplicacinsonamplias,entrelasqueseencuentralaadsorcindeionesmetlicos.

Figura1.Geldeslice.http://www.puntogeek.com/

Losgelesorgnicos representanuna familia interesanteyespecialdematerialesdentrode laescaladenanocompuestosquedesarrollan,deacuerdoasumtododesntesis,nanoporos. Los geles de carbono son estudiados desde hace ya ms de una dcadadebidoasupotencial,yaqueexisteunaampliadiversidaddegeles,dependiendodelosprecursoresutilizadosydelmtododeelaboracin.Losgelesdecarbonoseobtienenapartir de la policondensacin de bencenos hidroxilados (fenol, catecol, resorcinol,hidroquinona, etc.) y aldehdos (formaldehdo, furfural, etc.) en un solvente, seguido deunaetapadesecadoyposteriorcarbonizacin(Jobet.al.,2004).En1989(Pekalaetal.,1989) sintetizaron el primer gel orgnico obtenido a partir de la policondensacin deresorcinolyformaldehdo.Desdeentoncesestegelorgnicohasidoestudiado,yhoydasesiguenproduciendovariantesalprocesodepreparacinmediantelascualesselograngeles de carbono con propiedades particulares. En la Figura 2, semuestra que en la

primeraetapa,depreparacindelgelorgnico,tienelugarunareaccindeadicinentreelresorcinolyelformaldehdo.Elresorcinolesuncompuestofenlicotrifuncionalqueescapazdeadicionarformaldehdoentresdesusposiciones(2,4,6)delanilloaromtico.

Figura2.Reaccindepolimerizacingelresorcinolformaldehido.Primeraetapa.Reaccindeadicin.

En la segunda etapa tiene lugar la condensacin de los derivados hidroximetlicosformadosenlaprimeraetapa.Enestareaccindecondensacintienelugarlaformacinde enlaces metilnicos y de tipo ter entre los distintos derivados hidroximetlicos queoriginanelpolmero,Figura3.La reaccindecondensacinda lugara la formacindeunaspartculascoloidalesquecomienzanaentrecruzarseparadaragregadosdeunos7a10nmdedimetro.Amedidaquetranscurrelareaccin,elentrecruzamientodeestosagregadosesmuygrandeyacabanformandounaestructuratotalmenteinterconectada.

Figura 3. Reaccin de polimerizacin gel resorcinol formaldehido. Segunda etapa.Condensacindelosderivadoshidroximetlicos.

Talcomosemuestraen lasFigurasanteriores, la reaccinparaobtenerelgelorgnicoconsisteenunahidrlisisyunaposteriorcondensacinanlogaalasntesissolgeldelosxidosinorgnicos.EnlaFigura4semuestraunafotografadeungeldeltiporesorcinolformaldehidoquesehadescrito.

Figura 4. Geles FenolResorcinol preparados a diferentes concentraciones de loscomponentes

Unavezseobtieneelgel,estesepuedesometeraunacarbonizacinparaobtenerunmaterial carbonoso que est formado por cadenas o aglomerados tipo coloidal departculaspolimricas,conundimetroqueseencuentraalrededordelos810nm.Estetipo de nanoestructrura es responsable de una serie de propiedades trmicas, pticas,elctricas y mecnicas que hacen de los geles de carbono unos materiales de granpotencialyversatilidad.Entrestaspropiedadessonderesaltar:sualtaporosidad(mayordel 80 %), rea superficial (4001200 m2.g1) y volumen de poros caractersticas quedependen de las condiciones de sntesis y que proporcionan a estos materiales granversatilidad,yaquepermitendisearslidosconpropiedadesespecficasparadiversasaplicaciones variando las proporciones de los reactivos y las condiciones de operacindurantelasntesis.Debido a su textura porosa, los geles de carbono pueden utilizarse en aplicacionesrelacionadas con reacciones heterogneas (por ejemplo: reacciones catalticas,adsorcin,almacenamientodegases,etc.).Porotraparte,seconocequepresentanunaconductividadtrmicabaja,debidoasuestructuraultraporosa, loquehacede losgelesdecarbonobuenosaislantestrmicos.Porltimo,variosestudioshandemostradoquelaestructurananoporosadelosgelesdecarbono permite utilizar estos materiales como electrodos en supercondensadores dedoblecapa(Frackowiaket.al.,2010).Otroaspectoimportantedeestetipodematerialesque favorecen su utilizacin en diversos campos, es que se pueden obtener en variasformas:monolitos,polvo,pelculas,microesferas(Shenet.al.,2004)oformandopartedeuncomposite(Nishiyamaet.al.,2005).

ComosemuestraenlaFigura5,enelprocesodeobtencindegelesorgnicosapartirderesorcinolyformaldehdosepuedendiferenciartresetapasprincipales:

(i) La reaccin solgel donde el polmero se entrecruza y se forma el gelresorcinolformaldehdo.IaIV

(ii) Elsecadodelgelsaturadodesolvente.V(iii) Lacarbonizacindelgelorgnicoparaobtenerelgeldecarbono.VI

Figura5.Esquemadelasetapasinvolucradasenlaobtencindegelesdecarbono.

Durante el desarrollo de cada una de stas etapas la estructura final del gel se verafectada y tambin sus propiedades finales. Un proceso adicional al cul se puedensometerlosgelesdecarbonocorrespondeaunaactivacindespusdelacarbonizacin.El objeto de la activacin es el aumento del rea superficial obtenida en la sntesis yaumentar la porosidad que se ha podido cerrar durante los procesos de secado ycarbonizacin(FairnJimnezet.al.,2006).EnlaFigura6semuestraunafotografadeunaerogeldecarbono.

Figura6.Fotografadeungeldecarbonodebajadensidad.http://www.ingenieros.es

La contaminacin con metales pesados txicos de fuentes hdricas por efluentes dediferentes industrias tales como: metalrgica, qumica, pintura, textil, papelera, cuero,fertilizantes, pesticidas y otras, se ha convertido enunaproblemtica ambiental de altoimpactoquesepuederemediarcongelesdecarbndadoquedichosmaterialesposeenunaestructuraporosaysepuedemodificarpordiferentestcnicasexperimentales.REFERENCIAS

FairnJimnezD.,CarrascoMarnF.,MorenoCastillaC., Porosityandsurfaceareaof

monolithic carbon aerogels prepared using alkaline carbonates and organic acids aspolymerizationcatalysts,Carbon,44,2006,2301FrackowiakE.,BguinF.,Carbonmaterialsfor theelectrochemicalstorageofenergy incapacitors,Carbon,39,2010,937JobN.,PirardR.,MarienJ.,PirardJ.P.,PorouscarbonxerogelswithtexturetailoredbypHcontrolduringsolgelprocess,Carbon,42,2004,619Nishiyama N., Zheng T., Yamane Y., Egashira Y., Ueyama K., Microporous carbonspreparedfromcationicsurfactantresorcinol/formaldehydecomposites,Carbon,43,2005,269Pekala R.W., Organic aerogel from polycondensation of resorcinol with formaldehyde,JournalofMaterialScience,24,1989,3221Shen J., Wang J., Zhai J., Carbon aerogel films synthesized at ambient conditions,JournalofSolGelScienceandTechnology,31,2004,209