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TÓPICOS DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIAS DE LA TIERRA Y MATERIALES VOL 4 (2017)

Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo ISSN: 2395-8405 pág. 157

TÓPICO IV: METALURGIA



CARACTERIZACIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN DE UNA PLANTA PILOTO DE GALVANOPLASTIA.

F. Valdez-De Jesús1,*, V. E. Reyes-Cruz1, J. A. Cobos-Murcia2, M. A. Veloz-Rodríguez1,

G. Urbano-Reyes1, F. J. Barraza-Navarro3

1Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales, Pachuca, C.P. 03940, México.

2Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, Depto. de Cátedras, Ciudad de México, C.P. 03940, México.

3Centro de Tecnología dedicado a la investigación, diseño e innovación tecnológica, Áreas Metalmecánica, Metalúrgica y Electrónica, Ciudad Sahagún México C.P 43990

* Autor de correspondencia: [email protected]

RESUMEN En gran parte de las empresas de galvanoplastia debido a la demanda y el tiempo de los procesos, es muy complicado realizar un estudio a nivel piloto para controlar las variables que determinan la cantidad y calidad de los depósitos. Por lo tanto, en este trabajo se presenta un estudio para determinar las condiciones de corriente y potencial, así como evaluar algunos tipos de agitación para controlar la calidad de los depósitos, utilizando soluciones electrolíticas de la industria. Se utilizó una celda electrolítica típica con capacidad de 72 L conectada a una fuente de poder, como ánodos se usaron placas de latón y como cátodo se utilizó una lámina de acero inoxidable 304, utilizando un multímetro para registrar la corriente y el potencial durante el electrodepósito. La agitación de la solución electrolítica se controló de tres formas: flujo de aire, propela y utilizando propela con un equipo sonotrodo. Los resultados mostraron que el codepósito de Cu-Zn (latonado) ocurre en un intervalo de corriente entre 0.35 a 0.37 A y un voltaje de -0.35 0 -0.42 V, para evitar la evolución de hidrógeno o que únicamente se deposite cobre. También se determinó que el tipo de agitación donde se controla mejor el depósito fue con la propela y el equipo sonotrodo juntos. Mientras que, de las tres formas diferentes de agitación, la que mejor dio resultado fue la agitación con el sonotrodo junto con la propela, que evita una pasivación de la superficie de los ánodos por la posible formación de óxidos, obteniendo además un flujo más controlado de los iones del ánodo hacia el cátodo.

Palabras Clave: Codepósito Cu-Zn, latonado, Galvanoplastia, recubrimiento electrolítico, soluciones electrolíticas, pasivación de electrodos. 1. INTRODUCCIÓN La galvanoplastia comercial de níquel, latón, estaño y zinc se desarrolló sobre la década de 1850. En la época actual los recubrimientos metálicos han encontrado una extraordinaria difusión en la elaboración de productos con fines decorativos, o en la reproducción de recubrimientos superficiales resistentes al desgaste y a la corrosión. Según Alzate [1], la automatización de una planta piloto de Galvanoplastia, además de competitiva en el aspecto económico representa un manejo seguro a nivel educativo. Según Carbajal, 2014 [2], el Tratado de Libre Comercio el parte aguas que ha perfilado el desempeño y evolución de la industria dedicada a la galvanoplastia, reportando una inversión importante pues México se ha convertido en el octavo productor del mundo para sectores manufactureros que utilizan

mailto:[email protected]



procesos de la galvanoplastia. Al respecto conviene decir que la implementación de una planta piloto modelo de electrodepósitos, es una oportunidad más de estudio en investigación, generando las herramientas necesarias tanto para docentes como para alumnos. Además, a los alumnos les permite basarse en los conocimientos adquiridos tanto en el aula como en las prácticas realizadas para obtener experiencias que le permitan emplearse en algunas áreas de la industria. Esta planta piloto permite además el monitoreo y control de todas las variables de entrada y salida del sistema electroquímico para llevar a cabo los procesos de recubrimientos metálicos. Entre dichas variables se pueden mencionar: al potencial o corriente impuesta, agitación de la solución electrolítica para la difusión de iones del ánodo hacia el cátodo y el tiempo. También se puede determinar las características particulares de soluciones electrolíticas, como el monitoreo de las variables termodinámicas de la solución como pH y concentración de la especie a depositar sobre la calidad del depósito. Con la finalidad de obtener los parámetros o condiciones adecuadas en el proceso de una planta piloto de galvanoplastia para la Universidad Autónoma de Estado de Hidalgo y la realización de docencia e investigación; así como servicios externos a la industria. En este trabajo se planteó como objetivo determinar las condiciones de corriente y potencial, así como evaluar algunos tipos de agitación que permita controlar la calidad de los depósitos en un proceso de latonado, utilizando algunas soluciones electrolíticas de la industria en la planta piloto de galvanoplastia de la UAEH. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1 Preparación de la pieza a recubrir La apariencia y aceptación del recubrimiento electrolítico depende principalmente de una firme adherencia del depósito, lo cual se logra sobre una superficie completamente limpia libre de grasa, residuos o impurezas. En este estudio, para el recubrimiento se dispuso de una lámina de acero inoxidable 304 de 16.5 X15 cm2 con 1 mm de espesor. En un primer paso se realizó la limpieza de la pieza con un desengrasante en polvo a base de hidróxido sodio, que consistió en retirar todo tipo de impurezas ajenas como grasas, polvo de metales contaminantes, sales y algunas impurezas que afecten el proceso. Posteriormente se realizó un enjuague abundante con agua de la llave y se continuó con pulido manual utilizando lijas de grano fino (800, 1200 y 200) con movimientos verticales en una sola dirección, bajo chorro de agua para lograr un acabado superficial liso y brillante. Este paso es de gran importancia antes de realizar el proceso de electrodepósito debido a que de ello depende la calidad de la adherencia del recubrimiento, posteriormente se realizó un enjuague con agua de la llave. A continuación, se realiza un enjuague sencillo, que consistió en sumergir la pieza en agua desionizada con movimientos uniformes durante un minuto, se retiró la pieza del agua y se sacudió para retirar el agua uniformemente. Para la preparación final de la pieza se aplicó un decapado utilizando una solución de ácido clorhídrico al 10 % con agua desionizada, se sumergió la lámina durante 10 segundos con movimientos circulares sujetando la pieza con unas pinzas. Posteriormente se retiró la lámina y se realizó un enjuague en agua limpia desionizada durante dos minutos para evitar se contamine la solución electrolítica donde se llevará a cabo el depósito. Se retira la pieza del agua y se dejó secar por 10 segundos para sumergirla en la celda electrolítica e iniciar el proceso de deposición. 2.2 Proceso de electrodepositación El recubrimiento electrolítico de la pieza se produce por inmersión en el baño de latón y es indispensable operar con una densidad de corriente controlada dentro de cierto límite, debido a que al incrementar la densidad de corriente da lugar al desprendimiento de hidrógeno, que puede afectar la calidad del depósito [3] y [4]. En este estudio se utilizó una celda electrolítica que fue elaborada de un material de Nylamid con medidas 40X40X50 y una capacidad de 72 L. El electrodo que se utilizó



como cátodo consistió de la lámina de acero inoxidable 304 (preparada previamente) que se colocó en medio de los ánodos (placas de latón). Los electrodos de la celda se conectaron mediante una conexión de cobre a una fuente de poder para imponer una corriente dentro de un intervalo cerrado, mismo que se controló por medio de un multímetro con una capacidad de corriente de 10 A. Esto permitió medir la variación de la corriente para controlarla de manera manual directamente en la fuente de poder. La solución electrolítica para el depósito fue suministrada por la empresa Galvanoquimica Mexicana S.A. DE C.V, la cual consiste en un baño básico-cianurado de latón, con un pH de 12, en una concentración de 44g/l Cu (CN)2 y 9 g/l Zn (CN)2. 2.3 Agitación de la solución Otro factor importante que se consideró durante el recubrimiento electrolítico de la pieza fue la agitación de la solución electrolítica. [5], En este trabajo de investigación se utilizaron tres formas diferentes de agitación: una agitación generada mediante un flujo de aire proporcionado por un compresor, una agitación con propela movida por un motor caframo a 350 rpm, con el propósito de mantener las condiciones hidrodinámicas adecuadas de transferencia de masa. Además de la combinación de la segunda con ondas de vibración suministradas durante un minuto (cada cinco minutos) por un equipo sonotrodo. En cada experimento del proceso de deposición se trabajó con agitación continua durante 30 minutos, registrando el valor del potencial y de a una corriente impuesta, así como la calidad del depósito. Una vez concluido el tiempo del depósito se retira la lámina y se realiza un enjuague sencillo durante un minuto para retirar los restos de la solución. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 Proceso de electrodepositación Una vez realizada la limpieza y decapado de la pieza para obtener una superficie preparada para el recubrimiento electrolítico, la lámina de acero inoxidable 304 se coloca en la celda electrolítica y se sumerge en el baño de latón conectando las terminales de la fuente poder a los electrodos (figura 1). Se instalaron 2 multímetros para sensar la corriente (multímetro 1) y el voltaje (multímetro 2), lo cual permite visualizar el comportamiento de ambas variables y controlar en la fuente de poder el flujo de la corriente.

Figura 1. Imagen de la celda electrolítica conectada a la fuente de poder y los multímetros para sensar el

potencial y la corriente.

Multímetro 1 Multímetro 2



Datos reportados en la literatura [6] y [7], indica que los potenciales normales del Cu y el Zn para su depósito se encuentran ente -0.337 y -0.763V, una diferencia de casi 1 voltio. Sin embargo, se menciona que los potenciales de la deposición de los metales son mucho más cercanos en las soluciones de cianuro, donde ocurre una codepósito satisfactoria [1]. Durante la serie de experimentos preliminares en dicho intervalo de potenciales, se determinó que era más complicado controlar las corrientes y potencial en el sistema (celda electrolítica) dentro de un rango estable, además de que no se observó depósito alguno. Por lo tanto, se optó por controlar la corriente manteniendo valores de potencial dentro el rango recomendado. A través de una serie experimentos se determinó que a valores de corriente entre 0.33 A y 0.37 se observa un codepósito de Cu-Zn, mientras que por arriba de este rango (0.37 A) la evolución de hidrógeno comienza sobre el cátodo, interfiriendo con el codepósito. Por el contrario, por debajo de este rango (0.33 A) se observa que solo se lleva a cabo el depósito del Cu. Sin embargo, también se observó que la corriente disminuía de manera importante con el paso del tiempo. Esto indicaba que la cantidad de depósito también era menor con el tiempo, atribuido a una disminución de la concentración de los iones en la interface del electrodo catódico. Debido a esto se decidió experimentar con algunos tipos de agitación que permitieran transportar los iones desde el ánodo hacia el cátodo para reponer su concentración en la interface y así obtener un depósito más homogéneo. 3.2.1 Agitación con flujo de aire La agitación de la solución produce suministro de iones metálicos al cátodo facilitando el depósito sobre la superficie catódica. Se utilizó una agitación regulando el flujo de aire dentro de la celda electrolítica durante el tiempo la deposición que duró 30 minutos, logrando observar que se generaban demasiadas burbujas de aire sobre el ánodo y cátodo, generando un obscurecimiento de la superficie de los electrodos y obteniendo un depósito deficiente (figura 2a y 2b, respectivamente). Además, se observó que la corriente disminuye drásticamente con el paso del tiempo (ver gráfica de la fig. 5a, curva i), mientras el potencial presenta un comportamiento más catódico debido a la modificación de la superficie durante el depósito (ver gráfica de la fig. 5b, curva i), lo que afectó en la calidad del depósito obteniendo (ver fig. 2b). De acuerdo a esto, se determinó que las moléculas de oxigeno proporcionadas por las burbujas de aire generan oxidación de la superficie de los ánodos que provocan su pasivación. Este hecho evita que la concentración de iones en la superficie del cátodo se reestablezca para seguir llevando a cabo el depósito. Se intentó disminuir la intensidad del flujo de aire, lo que disminuyo la agitación, y esto dio como resultado que la migración de átomos de Zn fuera más lenta, al observarse solo un depósito no homogéneo de Cu.

Figura 2. Imágenes de los electrodos: a) ánodos y b) cátodo después de realizar el proceso de depositación electrolítica, aplicando agitación con flujo de aire.

(a) (b)



3.2.2 Agitación con propela Debido a los inconvenientes observados en el primer caso, se procedió a realiza agitación con una propela que giraba a 350 rpm, aplicando un intervalo de corriente de 0.33 A a 0.37 A, durante 30 minutos. Se observó que, aunque el potencial se hace más catódico (ver gráfica de la figura 5b, curva ii), su comportamiento es un poco más estable que para la agitación con flujo aire; mientras que la corriente se mantiene estable hasta el minuto 15 y después aumenta (ver gráfica de la figura 5a, curva ii). Este incremento en la corriente generó un desprendimiento de hidrógeno en la superficie del cátodo, mientras que en el ánodo se generó la evolución de oxígeno ocasionando que las superficies de los ánodos se obscurecieran y pasivaran nuevamente (ver figura 3a), afectando la calidad del depósito (ver figura 3b). Aunque visiblemente el depósito se presenta un poco más homogéneo todavía es deficiente, esto debido a que también comenzó a llevarse a cabo la pasivación de los ánodos y de la evolución de hidrógeno.

Figura 3. Imágenes de los electrodos: a) ánodos y b) cátodo después de realizar el proceso de depositación electrolítica, aplicando agitación con propela a 350 rpm.

3.2.3 Agitación con propela y ondas de vibración. Por último, se aplicó ondas de vibración al electrolito durante un minuto en intervalos de 5 minutos, con la finalidad de promover una mejor difusión de los iones Cu2+-Zn2+ hacia el cátodo. Cabe mencionar que la agitación de la solución con la propela a 350 rpm también se llevó a cabo durante los 30 minutos que duró el experimento. Los resultados mostraron que, aunque el potencial comienza a hacerse catódico se mantiene estable que las anteriores (ver gráfica de la figura 5b, curva iii), además la corriente presentó un comportamiento más constante durante todo el tiempo que duró el experimento (ver gráfica de la figura 5a, curva iii), con respecto a los otros tipos de agitación aplicadas. Por otra parte, los resultados mostraron que en este caso los ánodos no presentan oxidación al no observarse un obscurecimiento de la superficie (ver figura 4a), lo cual mejoró visiblemente la calidad del depósito (ver figura 4b).

(a) (b)



Figura 4. Imágenes de los electrodos: a) ánodos y b) cátodo después de realizar el proceso de

depositación electrolítica, aplicando agitación con propela a 350 rpm y ondas vibración.

Figura 5. Gráficas de la variación de: a) potencial y b) corriente, durante el tiempo de la deposición

electrolítica, aplicando los diferentes tipos de agitación. 4. CONCLUSIONES Se determinó que la corriente debe ser controlada dentro en un valor cercano a 0.35 A, para evitar que se produzca evolución de hidrógeno y oxígeno, además de evitar que se lleve a cabo solo el depósito de Cu. La generación de burbujas en la agitación con flujo de aire, así como la evolución de oxígeno provoca un obscurecimiento y pasivación del ánodo por la probable formación de óxidos, lo que afecta a la calidad del depósito. Por último, se pudo determinar que utilizando una agitación controlada con propela y ondas de vibración se tiene una mejor calidad en los depósitos obtenido.

AGRADECIMIENTOS Agradecimiento al AACTyM-UAEH por brindar su apoyo y la disponibilidad de los equipos e instalaciones para realizar, los experimentos. Personalmente agradezco al CONACyT por la beca otorgada para realizar sus estudios de Maestría en Manufactura Avanzada, en el Centro de Tecnología dedicado a la investigación, diseño e innovación tecnológica CIATEQ.

302520151050

0.45

0.40

0.35

0.30

Tiempo

Cor

rien

te

Agitacion con flujo de aire Agitacion con propela a 350 rpm

Agitacion con propela a 350 rpm y ondas de vibracion

Gráfica de interacción para Corriente

302520151050

-0.30

-0.35

-0.40

-0.45

-0.50

Tiempo

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ncia

l

Agitación con flujo de aire Agitación con propela a 350 rpm

Agitación con propela a 350 rpm y ondas vibración

Gráfica de Potencial, con tipo de agitacion(a) (b)

(a) (b)

(i)

(ii)

(iii)

(i)

(ii) (iii)



BIBLIOGRAFÍA [1] Alzate A: Guía de producción más limpia para el sector de recubrimientos electrolíticos, 2nd ed., EMPA, Guatemala, 2009, pp. 1-28. [2] Y. Carbajal and., E. Del Moral: Paradigma económico, 2014, Caracterización y mejoramiento del Proceso de electrodeposición de metales, vol. 6(2), pp. 95-126. [3] Y.J. Calderon, y S.M. Ramirez: empresa Fantaxia Santander, Colombia, Caracterización y mejoramiento del Proceso de electrodeposición de metales, 2005. [4] C.C Medellín: Cámara de Comercio, 2005, Industria de Galvanoplastia, Vol. 32, pp. 53-139. [5] W. Vera y O. Fernández: Scientia et Technica, 2006, Desarrollo e implementación de un equipo de galvanoplastia, Vol. 31, pp. 0122-1701. [6] R. Hashim, W. Wan-Nadhari, O. Sulaiman, and F. Kawamura: Materials and Design, 2011, Characterization of raw materials and manufactured binderless particleboard from oil palm biomass, vol. 32(1), pp. 246-254. [7] G.O. Mallory: Journal of Electrochemical, 1994, Composites Electroless Plating, vol. 45, pp. 136-139.



ESTUDIO DE CORROSIÓN EN CONCRETO REFORZADO CON JAL COMO ADITIVO MINERAL

V. Volpi-León1, L. D. López-Léon1,*, A. L. López-León2, I. E. Castañeda-Robles1, F. J. Olguín-Coca1

1Área Académica de Ingeniería, UAEH, Carr. Pachuca- Tulancingo Km 4.5, Colonia Carboneras, Mineral de la Reforma, Hidalgo. C.P. 42184, México.

[email protected] 2Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, Avenida del Charro 450 Norte, Colonia Partido Romero,

Cd. Juárez, Chihuahua. C.P. 32310, México. *Autor de correspondencia: [email protected]

RESUMEN En este trabajo de investigación se estudia una alternativa de reutilización de materiales de desecho industrial en concreto reforzado buscando determinar parámetros experimentales de resistencia a la corrosión de los distintos sistemas de concreto, en comparación a un concreto reforzado convencional. El uso de la técnica de espectroscopia de impedancia electroquímica muestra que la interacción del jal como cementante no modifica el proceso de corrosión, pues se observa que el uso de residuo minero hasta un 10% no favorece la llegada de los agentes corrosivos a la superficie de la varilla de refuerzo en el concreto comparado a un sistema convencional. Los valores de Rp son muy similares para los distintos sistemas. La interacción de cloruros con el metal se ve aumentada al usar 15% en la dosificación de jal como cementante, modificando considerablemente la velocidad de corrosión del sistema. El concreto elaborado con jal como cementante tiene un comportamiento electroquímico y mecánico muy similar a un concreto convencional hasta una dosificación de 10%. Palabras Clave: Corrosión, concreto, jal, impedancia electroquímica.

1. INTRODUCCIÓN En la actualidad, la preocupación por la conservación del medio ambiente ha incrementado bastante, uno de los objetivos principales se ha centrado en la mitigación de los impactos negativos que provocan los desechos industriales en el ambiente [1,2]. Las estrategias planteadas incluyen la reutilización de estos desechos de una manera eficiente. En Pachuca, Hidalgo, la minería ha generado a través de casi 500 años acumulaciones de jales (residuo minero) que sobrepasan los 100 millones de toneladas en toda la ciudad. Años atrás no existía ninguna normatividad para su manejo y deposición, fue hasta el año 2004, cuando se aprobó la NOM-141-SEMARNAT-2003, en la cual se regularon los procedimientos y se dio mayor importancia al impacto ambiental que los desechos generaban. Actualmente, los residuos mineros de la ciudad no tienen ningún uso, por el contrario, el abandono y desentendimiento de los mismos los ha convertido en parte del paisaje natural. Sin embargo, sus características físicas y químicas no son favorables para el ambiente ni para la salud de los pobladores. El tamaño de las partículas al ser tan fino impregna el aire y produce grandes remolinos de tierra. Aunado a ello, las necesidades de infraestructura y equipamiento de una sociedad en crecimiento requieren de mayores espacios, mismos que ahora ocupan estas presas de jal [3,4].





Debido a lo anterior, la necesidad de aprovechar este recurso tan abundante y al mismo tiempo mitigar su impacto negativo en el ambiente, ha dado apertura a nuevas soluciones. La implementación de jal en la industria de la construcción, específicamente en el concreto armado para elementos estructurales de baja resistencia respondería a un uso eficiente del recurso con grandes ventajas para la sociedad. La industria de la construcción en México y en el mundo se ha apoyado por muchas generaciones en la utilización de concreto armado como elemento fundamental de las estructuras. Los costos de construcción son relativamente bajos y sus características han asegurado larga vida a las edificaciones. Sin embargo, se ha dejado de lado el mantenimiento de las estructuras. Uno de los fenómenos que puede dañar gravemente la vida útil de los inmuebles, así como las características funcionales del concreto tales como adherencia y resistencia mecánica, además de inducir la formación de agrietamientos y desprendimientos de trozos de concreto comprometiendo la integridad estructural es el efecto de la corrosión. Por ello, el análisis de los efectos de corrosión en las estructuras es de vital importancia pues genera pérdidas millonarias en todo el mundo [5,6]. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Diseño del espécimen Se elaboraron especímenes de concreto reforzado (ver figura 1), cuyas dimensiones tienen la finalidad de garantizar el mismo espesor de recubrimiento para todo el acero de refuerzo (especímenes de 15*15 cm), y para tener facilidad de manejo al colocarlos en la cimbra, para su curado y monitoreo

Arreglo experimental Para las técnicas electroquímicas se usó una celda típica de tres electrodos, con un electrodo de cobre-sulfato de cobre como referencia y una barra de grafito como contra electrodo [7], (ver figura 2).

Cara expuesta a la aspersión

Cara izquierda

Cara derecha

Varilla con recubrimiento y contacto electrico

150 mm de concreto

Figura 1. Especímenes de concreto.



Figura 2. Esquema representativo para la conexión de la celda para monitoreo.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Potenciales de media celda La figura 3 muestra los resultados de potenciales de media celda para el sistema con la cara directamente expuesta a la aspersión salina al evaluar las distintas dosificaciones de jal como cementante, en función del tiempo de exposición en la cámara de aspersión salina (28 días). Los sistemas muestran un comportamiento similar en comparación al espécimen con 0% de jal, a los 10 días de exposición dentro de la cámara de aspersión los potenciales muestran un comportamiento lineal, (potenciales de 700 ± 30 mv) no mostrando un cambio significativo en los potenciales. Por lo que la resistencia a la corrosión es muy similar a la de un concreto convencional en las dosificaciones estudiadas.

Figura 3. Potenciales de media celda para la cara directamente expuesta del espécimen.

Impedancia electroquímica La figura 4 muestra los diagramas de Nyquist, como resultado de las mediciones de espectroscopia de impedancia electroquímica para los sistemas en estudio, en función del tiempo de exposición en un medio corrosivo (28 días). En el gráfico se muestran semicírculos abiertos con una ligera tendencia lineal a bajas frecuencias. Esto se puede atribuir principalmente a la transferencia de carga y

Electrodo de referencia

Barra de grafito Espécimen 150 mm de concreto

5% NaCl solución Electrodo de trabajo Varilla de acero 13 mm

Aspersión salina

Potenciostato- Galvanostato



posteriormente a la difusión de especies corrosivas en la superficie. Se observa una disminución en los valores reales e imaginarios de impedancia al incrementar el porcentaje de jal como cementante al 15%, ya que para los sistemas con 5% a 10% de jal no muestran un cambio significativo en comparación al concreto convencional (0% jal).

Figura 4. Diagramas de Nyquist para el sistema concreto-acero al carbono AISI 1018. 4. CONCLUSIONES Los resultados de potenciales de media celda no muestran un cambio significativo en comparación al de un concreto convencional hasta el 10% de dosificación de residuo de mina en el concreto. El uso de la técnica de espectroscopia de impedancia electroquímica muestra que la interacción del jal como cementante no modifica el proceso de corrosión, ya que se observa que el uso de residuo minero hasta un 10%, no favorece la llegada de los agentes corrosivos a la superficie de la varilla de refuerzo en el concreto, comparado a un sistema convencional. Los valores de Rp mostrados son muy similares para los distintos sistemas. La interacción de cloruros con el metal se ve aumentada al usar 15% en la dosificación de jal como cementante, modificando considerablemente la velocidad de corrosión del sistema. El estudio corrosivo empleando jal como cementante en la elaboración de concreto muestra que los parámetros de corrosión no sufren un cambio significativo, comparados con un concreto convencional. Hasta una dosificación de 10% de jal como cementante en los sistemas de concreto tiene un comportamiento similar sin afectar sus propiedades de resistencia a la corrosión comparado con un concreto en ausencia de este aditivo. AGRADECIMIENTOS Los autores externan su gratitud al PRODEP por el apoyo financiero otorgado para el desarrollo de esta investigación.



BIBLIOGRAFÍA [1] E. Remon, J. Bouchardon and O. Faure: Environmental Pollution, 2005, vol. 137, pp. 316–323. [2] B. Pradhan: Construction and Building Materials, 2014, vol. 72, pp. 398- 411. [3] L. Zongjin: Advanced Concrete Technology, 2nd ed., John Wiley&Sons., New Jersey, USA, 2011, pp. 79-81. [4] ACI Committee, Protection of Metals in Concrete Against Corrosion, 1st ed., ACI Manual of Concrete., New York, USA, 2010, pp. 222. [5] H. Akita, T. Fujiwara and Y. Ozaka: Mag. Concr. Res., 1997, vol. 49, pp. 129–137. [6] K.Y. Ann and H.W. Song: Corros. Sci., 2007, vol. 49, pp. 4113–4133. [7] ASTM B117-16, Standard Practice for Operating Salt Spray Apparatus, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016, pp. 1-14.



SÍNTESIS Y ESTABILIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS DE ORO (AuNPs) MEDIANTE TÉCNICAS DE QUÍMICA VERDE

L. García-Hernández1,*, J. Ramírez-Castro1, B. Aguilar-Perez1, P. A. Ramírez-Ortega1,

M. U. Flores-Guerrero1, D. Arenas-Islas2

1Centro de Desarrollo en Nanotecnología, Área Electromecánica Industrial, Universidad Tecnológica de Tulancingo. Camino a Ahuehuetitla No. 301, Tulancingo, Hidalgo, C.P. 43645, México.

2Estudiante de posgrado en Oceanografía Costera, IIO/FCM-UABC, Carretera Ensenada-Tijuana No. 3917, Fraccionamiento Playitas, Ensenada, Baja California 22860, México

* Autor de correspondencia: [email protected]

RESUMEN. Debido a las propiedades que exhiben las nanopartículas metálicas, surge el interés por desarrollar nuevos métodos de síntesis para encontrar las condiciones necesarias para su estabilización y que éstos resulten respetuosos del medio ambiente. En el presente trabajo se establecieron las condiciones experimentales para la síntesis de nanopartículas de oro (AuNPs) usando como agente reductor de los iones de Au+3 y estabilizador de las AuNPs, el extracto de Cupressus goveniana. Cabe destacar que es importante estableces las condiciones de síntesis óptimas, dado que éstas influyen directamente en el tamaño, morfología, estabilidad y propiedades fisicoquímicas de las nanopartículas obtenidas. El extracto se caracterizó por espectroscopia de FTIR encontrando grupos C=O, C-N, C-OH, a quienes se les atribuye la capacidad reductora de los iones Au+3, posteriormente se realizaron diferentes relaciones de concentración extracto-agente precursor para determinar las condiciones experimentales más apropiadas. Las AuNPs se caracterizaron mediante espectroscopia UV-Visible, observándose plasmones de absorbancia entre 530 y 560 nm característicos de estas nanopartículas, también se caracterizaron por microscopia electrónica de barrido, corroborándose los tamaños nanométricos, finalmente se evaluó la capacidad reductora del extracto mediante voltamperometría cíclica, observándose los intervalos de los procesos de reducción y oxidación de la especie iónica. Palabras Clave: Nanopartículas, Au, química verde, Cupressus, estabilización. 1. INTRODUCCIÓN La química verde es una herramienta que ayuda a idear métodos innovadores y eficaces para crear materiales y/o sustancias químicas que sean eco-amigables y contribuyan a la sustentabilidad [1]. La química verde busca generar conocimientos para después aplicarlos en procesos industriales, por esto, es considerada una fusión de diversas disciplinas: ecología, toxicología, ingeniería y química [2]. La aplicación en la nanotecnología de métodos desarrollados a través de la química verde ha tomado mucha importancia en los últimos años, ya que la generación de nanopartículas metálicas ha supuesto el desarrollo de nuevas técnicas de fabricación menos costosas y agresivas con el medio; tomando esto como base, la nanobiotecnología combina principios biológicos con procedimientos físicos y químicos para generar partículas nanométricas con funciones específicas a partir de moléculas biológicas. Esta disciplina representa una alternativa económica comparada con otros métodos tradicionales de formación de nanopartículas [3,4]. Un método reciente y probablemente el más rápido, consiste en utilizar el extracto acuoso de plantas,



de esta forma se aprovecha la capacidad antioxidante de los compuestos naturales presentes en las plantas, metabolitos reductores y estabilizantes, tales como compuestos fenólicos, flavonoides, polifenoles, azúcares reducidos, bases nitrogenadas y aminoácidos [5]. Durante la síntesis de nanopartículas las condiciones experimentales y las interacciones existentes entre los agentes reductores presentes en el extracto de la planta y los iones del metal influyen directamente en el tamaño, morfología y estabilidad, así como en las propiedades fisicoquímicas de las partículas [6] por lo que resulta indispensable determinar los grupos funcionales presentes en los extractos, a los que se les puede atribuir la capacidad reductora de los iones metálicos. El interés en sintetizar nanopartículas de metales nobles y, más específicamente, las nanopartículas de oro (AuNPs), radica en sus excelentes propiedades físicas, químicas y biológicas, intrínsecas a su tamaño nanométrico. Las AuNPs se producen en distintos tamaños y formas, tales como nanoesferas, nanobarras, nanocáscaras y nanojaulas; así mismo, pueden ser fácilmente funcionalizadas con un amplio abanico de ligandos (anticuerpos, polímeros, sondas de diagnóstico, fármacos, material genético, etc.). Todo esto hace que las AuNPs despierten un gran interés en distintos campos, pero especialmente en los sectores biomédico y alimentario [7]. La obtención de las AuNPs se comprueba en primera estancia de manera visual con los cambios en la coloración del extracto al adicionar el agente precursor, y se corrobora mediante espectroscopia de UV-Visible. En esta técnica una especie química absorbe radiación UV-Vis, y la energía adquirida por el sistema causa la transición de un electrón de un estado basal o fundamental (EF) a uno excitado (EE) [8]. En el caso de las nanopartículas se presenta el fenómeno de la banda del plasmón de superficie producido debido a que las nanopartículas metálicas cuentan con un número determinado de electrones libres confinados en un espacio muy pequeño y sus electrones superficiales son capaces de interactuar con la radiación electromagnética. En las nanopartículas metálicas manifiestan una resonancia plasmónica localizada ya que la nanopartícula es mucho menor que la longitud de la onda de luz incidente. Este fenómeno en nanopartículas de plata y oro produce una respuesta en el UV, por lo que reflejan longitudes de onda en el visible, por ejemplo, para las nanopartículas de oro, soluciones de distintos tamaños presentan colores que van desde el púrpura hasta el marrón. Este suceso es altamente dependiente de la forma, tamaño, cristalinidad y naturaleza de las nanopartículas, así como de las condiciones físicas y químicas de su medio circundante [9]. Las nanoesferas de oro presentan una banda de absorbancia en el rango de 510-550 nm. El desplazamiento de dicho pico hacia longitudes de onda mayores se asocia a un incremento en el tamaño de las nanopartículas mientras que el ensanchamiento de la banda de absorción indica una mayor distribución de dichos tamaños y formas [10]. En el presente trabajo, se utiliza el extracto de Cupressus goveniana que funciona como agente reductor de los iones Au3+ a Au0 y estabilizador de las nanopartículas obtenidas. Esta especie se presenta en la figura1, pertenece a la familia Cupresaceae, y puede alcanzar dimensiones de hasta 43 m de altura y 12 m de diámetro. El follaje es de color verde oscuro, con hojas escamosas aciculares de 1-1.5 mm de largo [11]. Las estructuras reproductivas constan de pequeños conos de 11 a 24 mm de largo y casi esféricos, mientras que las semillas son de 3 a 5 mm de largo y muestran un par de alas laterales. La especie está ampliamente distribuida en México principalmente por motivos ornamentales y su cultivo no presenta problemas en climas templados. Generalmente el género Cupressus se considera con potencial medicinal. Entre los principales compuestos identificados en este género se encuentran hidrocarburos monoterpénicos, por ejemplo, pineno, fenaldreno y flavonoides como el quercetín glucósido. [11, 12].



Figura 1. Hojas de Cupressus goveniana.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1. Obtención del extracto.

La recolección de las hojas para la preparación del extracto se llevó a cabo siguiendo parámetros tales como una previa identificación taxonómica de la planta, verificando que las hojas estuvieran en buenas condiciones, frescas y sin evidencia de plagas, éstas fueron lavadas con agua destilada y después se dejaron secar. El extracto se obtuvo a una concentración del 2.5% con agua desionizada a una temperatura de 80ºC, se dejó enfriar y se reservó una muestra para utilizarla como referencia en los análisis posteriores.

2.2. Caracterización del extracto de Cupressus goveniana por FTIR. El extracto de C. goveniana se caracterizó por espectroscopia de FTIR con lo que se determinaron los principales grupos funcionales presentes, a los que se les pueda atribuir la capacidad reductora de los iones Au⁺³.

2.3. Síntesis de AuNPs. Para sintetizar las AuNPs se mezclaron extracto de C. goveniana y una solución de Au⁺³ que fungieron como agente reductor y agente precursor, respectivamente. Todas las experimentaciones fueron llevadas a cabo en agitación constante y adicionando 10mL de la solución precursora en alícuotas de 2mL cada 10 minutos, la temperatura se trabajó en un rango de 80-86ºC. El agente reductor poseía una concentración del 2.5 % masa-volumen mientras que el agente precursor 10, 20 y 30 mgL⁻¹. 2.4. Análisis visual y por espectroscopia de UV-Vis. La bio-reducción de los iones Au³+ a Au cerovalente en forma de nanopartículas fue monitoreada con un espectrofotómetro Perkin Elmer Lambda 35 de doble haz en distintos intervalos de longitud de onda, usando cubetas de cuarzo de 1 cm de camino óptico.

2.5. Microscopía electrónica de barrido. La preparación de la muestra para MEB se llevó a cabo sobre un portamuestras pulido y depositando las AuNPs coloidales, posteriormente se sometieron a una temperatura de 150ºC para eliminar agua y componentes orgánicos.



2.6. Voltamperometría cíclica. Para evaluar la capacidad reductora del extracto de C. goveniana, se llevaron a cabo voltamperometrías cíclicas en una celda típica de 3 electrodos, utilizando un electrodo de trabajo de Pt vs ECS a una velocidad de barrido de 1.5 mVs⁻¹. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. FTIR En la figura 2 se muestra el espectro de FTIR donde se identificaron los diferentes grupos funcionales presentes en el extracto de Cupressus goveniana. Una banda intensa y ancha en ~3435 cm⁻¹ es atribuida a la frecuencia de estiramiento N-H de las aminas y una superposición de un enlace O-H. En 1038 cm⁻¹ se aprecia una banda de absorción que se atribuye a un enlace C-OH de un alcohol primario, 2301 cm⁻¹ y 2342 cm⁻¹ son consideradas para el enlace C-N de las aminas y a la presencia de grupos diazo. Mediante el estudio espectroscópico FTIR del extracto de C. goveniana y la identificación de los principales grupos funcionales presentes en el extracto, se puede atribuir a éstos la capacidad reductora de los iones Au³+ a Au⁰ para la obtención de las nanopartículas.

Figura 2. Espectro FTIR del extracto de C. govenniana

3.2. Análisis visual y espectroscopia UV-Vis.

En todas las experimentaciones de tomaron muestras en cada adición de la solución precursora para comparar el cambio de coloración, iniciando con una solución casi incolora hasta una rosada (figura 3), también se llevó a cabo la medición del pH al extracto antes y después de la adición del precursor; el extracto inicial presenta un pH de 7 y aumenta su acidez hasta conseguir un pH 2.

Número de onda (cm-1)



Figura 3. Comparación visual de las muestras de AuNPs coloidales tomadas cada 10 minutos durante

la síntesis.

En la figura 4 se presenta un espectrograma en donde se grafica la absorbancia con respecto a la longitud de onda, en éste se aprecia que el extracto no manifiesta plasmones de absorbancia en la región de estudio del UV-Vis. Un plasmón de absorbancia a una longitud de onda de 473 a 720 nm que pertenece a la muestra tomada después de 50 minutos de reacción, mostrando la mayor absorbancia a una longitud de onda de 551 nm, indica la presencia de nanopartículas.

Figura 4. Espectrograma UV-Vis para las muestras de AuNPs coloidales obtenidas a una

concentración del agente precursor: 10mg L⁻¹. Filtración del extracto en caliente.

El espectrograma de la figura 5 pertenece a una serie de muestras tomadas durante la síntesis de AuNPs, las cuales presentan plasmones de absorbancia con desplazamientos de 534 a 548 nm lo que indica un crecimiento de las nanopartículas; el ancho de la banda se encuentra entre 470 y 675 nm alcanzando hasta 0.071 unidades a una longitud de onda de 548 nm para la muestra tomada al final de la síntesis.




concentración del agente precursor: 20mg L-¹. Filtración del extracto en frío.

En la figura 6 se ilustra el espectrograma de las muestras de AuNPs coloidales sintetizadas a partir de un agente precursor con concentración inicial de 30 mgL⁻¹ adicionado en alícuotas de 2mL cada 10 minutos al extracto filtrado en frío; no se observa un plasmón de absorbancia perteneciente al extracto, sin embargo, para las muestras tomadas, los plasmones van de 480 a 700 nm, presentando un desplazamiento de sus máximos de 536 a 556 nm con una absorbancia de hasta 0.11 unidades.


concentración del agente precursor: 30mg L-¹. Filtración del extracto en frío.

Se considera que las nanopartículas obtenidas mediante ésta última metodología poseen mejores características debido a que las bandas plasmónicas presentan mayor absorbancia y son más angostas



en comparación a las obtenidas con las metodologías anteriores; así mismo, se observó una mayor estabilidad de las soluciones coloidales ya que tomaron más tiempo en precipitarse.

3.3 Microscopía Electrónica de Barrido Utilizando esta técnica de caracterización se corroboró el tamaño nanométrico de las partículas de oro. En la figura 7, se muestran las micrografías de las nanopartículas obtenidas y su análisis por EDS, que evidencian el tamaño y composición de las nanopartículas obtenidas.

(a) (b)

Figura 7. a) Micrografias obtenidas mediante MEB las nanopartículas muestran tamaños entre 120 y 130 nm (b) Análisis semicuantitaivo por espectroscopia de energía dispersiva (EDS) que muestra la

composición de Au. En la figura 7(a) nanopartículas con tamaños entre 120 y 130 nm sintetizadas a través de la metodología para obtener AuNPs (b) Análisis elemental mediante EDS que muestran la composición de oro de las nanopartículas.

3.4. Voltamperometría Cíclica En los resultados de la voltamperometría cíclica realizada al extracto de Cupressus goveniana (Figura 8 a) no se observan picos de oxidación y reducción. La figura 8 b representa el voltamperograma obtenido de la síntesis de AuNPs coloidales donde se aprecian dos picos de reducción, el primero en el intervalo de potencial de 0.026 a -0.037 V y el segundo inicia en -0.07 V. El primer pico se atribuye a la reducción de los iones Au3+ en Au0 mientras que el segundo se asocia a la reducción del medio. Comparando ambos voltamperogramas, se evidencia el poder reductor del extracto de Cupressus goveniana, pero también se comprueba que continúan en la solución iones Au+3, ya que se aprecian los procesos de reducción; sin embargo, es necesario aplicar otras técnicas electroquímicas que permitan corroborar estos resultados.



Figura 8. Voltamperograma obtenido utilizando un electrodo de Pt vs ECS con un contra electrodo

DSA a una velocidad de barrido de 15 mVs-1 para a) el extracto de Cupresus goveniana con una concentración del 2.5% en la ventana de potencial -0.4 a 0.4 V y b) una muestra de AuNPs coloidales

sintetizadas con un agente precursor de concentración inicial de 30 mgL-1 en la ventana de potencial de -0.2 a 0.2 V.

4. CONCLUSIONES Los métodos de síntesis verde, como el desarrollado en este trabajo, brindan una ruta eco-amigable y rentable para obtener nanopartículas gracias al uso de los principios bioactivos de las plantas, los cuales actúan como agentes reductores y estabilizantes. El extracto de la especie Cupressus goveniana permitió la obtención de partículas de oro nanométricas gracias a su capacidad para reducir los iones Au3+ en Au⁰, atribuido a las macromoléculas presentes en la composición química de la planta. La obtención de nanopartículas de oro se corroboró mediante espectroscopia de UV-Vis donde se obtuvo un plasmón de absorbancia que es característico para las AuNPs a λ de 550 nm. Así mismo, se monitoreó la reducción de los iones Au³+ a diferentes tiempos de síntesis afirmando el poder reductor del extracto. Los parámetros óptimos para la síntesis de nanopartículas se establecieron a una temperatura de 85ºC, con una concentración de 2.5% del extracto de Cupressus goveniana y partiendo de un precursor de iones Au3+ con concentración inicial de 30 mgL⁻¹. El tamaño nanometrico se evidencio mediante MEB encontrándose tamaños entre 120-130 nm. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a la Universidad Tecnológica de Tulancingo, al Área de Electromecánica Industrial, por el apoyo brindado para la realización de la presente investigación. BIBLIOGRAFÍA [1]. J. López Iturbe, A. R. Vilchis Néstor, V. Sánchez Mendieta, M. Avalos Borja: Superficies y vacío, 2013, vol. 26(3), pp. 73-78. [2]. C. O. Meléndez Pizarro, A. A. Camacho Dávila: Synthesis, vol. 45, 2008, pp. 1-5.



[3]. Z. Sandowski: Wroclaw University of Technology, pp. 257-276. [4]. S. Ahmed, M. Ahmad, B. Lal Swami, S. Ikram, Saifullah: Radiation Research and Applied Sciences, 2015, pp. 1-5. [5]. J. L. Landeros Páramo, G. A. Rosas Trejo: Memorias en extenso del XII Encuentro, participación de la mujer en la ciencia, 2015, pp. 1-5. [6]. D. Minakshi, H. S. Kyu, S. A. Seong, K. Y. Dong: Toxicology and Environmental Health Sciences, 2011, vol. 3, pp. 193-205. [7]. D. Mateo, P. Morales, A. Avalos, A. I. Haza: Acta Toxicol Argent, 2013, vol. 21(2), pp. 102-109. [8]. M. I. Litter, M. A. Armienta, S. S. Farías: Iberoarsen Metodologías Analíticas para la Determinación y Especiación de Arsénico en Aguas y Suelos, CYTED, Argentina, 2009, pp. 242-246. [9]. D. A. Cruz, M. Rodríguez, J. M. López, V. M. Herrera, A.G. Orive1, A. H. Creus: Avances en Ciencias e Ingeniería, 2012, Vol. 3, 67:78. [10]. Deyá, N.Bellotti: CIDEPENT (Centro de Investigación y Desarrollo en Tecnología de Pinturas-CIC-CONICET, Investigación no publicada, pp. 368-375. [11]. Hogan M. iNatualista. Comisión Nacional para el Conocimiento y uso de la Biodiversidad y uBio.conabio.(2012) inaturalist.org/taxa/325546-Cupressus-goveniana-pigmea. [12]. L. García Hernández, D. Arenas Islas, M. U. Flores Guerrero, P. A. Ramírez Ortega, L. García Lechuga (2015) TMS 2015 144th Annual Meeting & Exhibition, 2015, pp. 1105-1112.



PREPARACIÓN ELECTROQUÍMICA DE ÓXIDO DE ALUMINIO (Al2O3) A PARTIR DE UNA SOLUCIÓN PROCEDENTE DE CHATARRA DE ALUMINIO

J. C. García-Mayorga1,*, G. Urbano-Reyes1, M. A. Veloz-Rodríguez1, V. E. Reyes-Cruz1,

J. A. Cobos-Murcia2, J. Hernández-Ávila1

aUniversidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales, Carretera Pachuca-Tulancingo Km 4.5, Mineral de la Reforma, Hidalgo, México.

bConsejo Nacional de Ciencia y Tecnología, Depto. de Cátedras, Av. Insurgentes Sur 1582, Col. Crédito constructor, Deleg. Benito Juárez, Ciudad de México, CP 03940, México

* Autor de correspondencia: [email protected] RESUMEN La alúmina (𝐴𝐴𝐴𝐴2𝑂𝑂3) u óxido de aluminio es considerada una cerámica avanzada termodinámicamente estable, presenta una alta dureza, resistencia al desgaste y tiene una elevada estabilidad a altas temperaturas. En este trabajo se presenta un estudio electroquímico a partir de las técnicas de voltamperometría cíclica, cronoamperometría e espectroscopia de impedancia electroquímica para la obtención de alúmina, partiendo de chatarra de aluminio como materia prima. El estudio fue llevado a cabo en un medio ácido utilizando placas de aluminio como electrodo de trabajo, en el cual se utilizó 𝑁𝑁𝑁𝑁4𝑂𝑂𝑁𝑁 para ajustar el pH a 3.6, evitando la formación de especies de sulfato de sodio como la Thenardita (𝐴𝐴𝐴𝐴2𝑆𝑆𝑂𝑂4). Los resultados mostraron que la obtención de algunos depósitos ocurre a potenciales lo suficientemente catódicos (≥ -1.9 V). Las especies que están presentes en los depósitos son principalmente óxido de aluminio cristalino (Al2O3) e hidróxido de aluminio de baja cristalinidad, como la [𝐴𝐴𝐴𝐴(𝑂𝑂𝑁𝑁)3]. Mientras que en los potenciales de -2.2 y -2.3 V, es donde se presenta un mayor porcentaje de la fase cristalina de alúmina (Al2O3), que no se encuentra pura, ya que también existe presencia de hidróxido de aluminio (Bayerita). Palabras Clave: α-alúmina, reciclado de aluminio, residuos, chatarra de aluminio, electrogeneración de bases. 1. INTRODUCCIÓN Datos del Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático de la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) revelan que al día se consumen 15 millones 400 mil latas, lo que significa que al año se utilizan 10 mil 348.8 millones de latas [1]. Pese a estos números y al hecho de que en México se recolecta cerca del 97% del aluminio generado, menos de la mitad es reciclado en el país y el resto es exportado generalmente a EEUU, en donde es transformado y posteriormente regresa en forma de otros productos con un valor agregado [2]. Por otra parte, el óxido de aluminio o alúmina (𝐴𝐴𝐴𝐴2𝑂𝑂3) es una cerámica avanzada que combina propiedades como dureza, operación a altas temperaturas y buen aislamiento eléctrico, lo cual hacen de este un material útil para un amplio rango de aplicaciones como material refractario, abrasivo, herramientas de corte, empaquetador en circuitos integrados, soportes catalíticos, adsorbentes y como material biocompatible [3]. Existen diversas formas de alúmina conocidas como especies predecesoras. Estas formas son denominadas a partir de letras griegas (𝛼𝛼, 𝛾𝛾, 𝛿𝛿, 𝜂𝜂,𝜃𝜃, 𝜅𝜅 𝑦𝑦 𝜒𝜒), cada una de estas conlleva una estructura cristalina diferente siendo la forma 𝛼𝛼, la última forma alcanzada a partir de la



descomposición térmica (termodinámicamente más estable) con un sistema cristalino hexagonal compacto [4]. Los métodos más comunes para la obtención de este material son el hidrotérmico, descomposición térmica, combustión, CVD (Chemical Vapor Deposition) y por láser. Generalmente estos procesos requieren del uso de altas temperaturas ya que el proceso en sí, en diversas ocasiones genera especies predecesoras y estas deben ser calcinadas para alcanzar la forma final más estable (α-alúmina). Además de que algunos de estos procesos implican también la implementación de equipos y reactivos costosos [5-7]. La electroquímica se ha posicionado como una ciencia alternativa en la obtención de recubrimientos y polvos metálicos a partir de técnicas como electrogeneración de bases, oxidación anódica, y la síntesis utilizando corriente alterna [8]. Por esta razón, en este estudio se plantea la obtención de alúmina en polvo a partir de una preparación electroquímica, empleando una solución obtenida a partir de la lixiviación de latas de aluminio. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1 Preparación de la solución de aluminio Para la obtención de la solución electrolítica, las latas utilizadas fueron previamente cortadas, utilizando únicamente el cuerpo de la lata debido a que la presencia de metales tales como Mg, Mn, Fe y Cu son menores [9]. Posteriormente fueron lavadas con jabón y una lija con el fin de retirar la pintura y lacas, facilitando así su disolución. La lixiviación fue llevada a cabo por medio de una solución básica (2.8 𝑀𝑀𝑁𝑁𝑀𝑀𝑂𝑂𝑁𝑁), esto con la finalidad de atacar más fácilmente el aluminio y mantener los demás metales de aleación insolubles para ser retirados por medio de filtración. Se agregó una solución ácida (6𝑀𝑀 𝑁𝑁2𝑆𝑆𝑂𝑂4) a la solución filtrada con el fin de neutralizar el exceso de hidróxido y precipitar el aluminio en forma de 𝐴𝐴𝐴𝐴(𝑂𝑂𝑁𝑁)3, para posteriormente ser lavado por medio de centrifugado. Por último, se agregó más solución de ácido sulfúrico (6𝑀𝑀 𝑁𝑁2𝑆𝑆𝑂𝑂4, ) hasta disolver completamente el precipitado blanco. El pH fue ajustado a 3.6 con la adición de hidróxido de amonio [𝐴𝐴𝐴𝐴(𝑂𝑂𝑁𝑁)3]. 2.2 Celda electroquímica Todos los experimentos se realizaron en una celda electroquímica convencional de tres electrodos con un volumen de solución de 25 ml. Se utilizó una malla de Ti recubierta con Ru como contraelectrodo y un electrodo de calomel saturado (SCE) como electrodo de referencia. Los valores de potencial fueron reportados con respecto a SCE. Para el electrodo de trabajo (cátodo) se utilizó placas de aluminio no aleado, con una pureza de 99%. Previo al estudio, los electrodos son decapados para poder trabajar con aluminio puro en la interfase. Como electrolito se utiliza la solución preparada con chatarra de aluminio a pH de 3.6. No fue necesario el burbujeo de la solución debido a que se pretende depositar aluminio y generar un óxido (𝐴𝐴𝐴𝐴2𝑂𝑂3), favorecido por la presencia del oxígeno disuelto en la solución o a partir de la reacción del aluminio depositado en el cátodo con el agua. Para el estudio electroquímico se aplicó la técnica de voltamperometría cíclica y cronoamperometría, utilizando un potenciostato de la marca PAR modelo 263A. Todos los experimentos se llevaron a cabo bajo agitación. Los voltamperogramas se iniciaron a partir del potencial de circuito abierto (OCP) con una velocidad de barrido de 15 mV s-1 a diferentes potenciales de inversión catódica. A partir de los procesos observados durante el estudio voltamperométrico se establecieron los potenciales para el estudio cronoamperométrico y el estudio por espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS).



3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 Estudio voltamperométrico En la figura 1 se muestran los voltamperogramas obtenidos en ambas direcciones tanto anódica como catódica, en un intervalo de potenciales establecidos entre 1.2 V a -2.5 V, que se iniciaron y finalizaron en el OCP (450 ± 10 mV), a una velocidad de barrido de 15 mV/s

Figura 1. Voltamperogramas obtenidos sobre electrodos de aluminio en dirección: a) catódica y b)

anódica, en una solución de aluminio a pH 3.6.

La comparación de los voltamperogramas en ambas direcciones (figura 1a y 1b) permite observar que los procesos de oxidación y reducción, son muy similares. En ambos voltamperogramas se observa que el proceso de reducción (C1) es muy amplio, el cual inicia en aproximadamente -1.0 V y se mantiene hasta el punto de inversión, mientras que el proceso de oxidación O1 (ver recuadro, figura 1a y 1b) se encuentra a un potencial aproximado de -0.9 V. Estos procesos fueron asignados a la reducción (C1) y oxidación (O1) de aluminio depositado sobre el electrodo de trabajo. Sin embargo, se observa que tanto el proceso de reducción C1, y más aún, el de oxidación O1 (ver recuadro), es mayor el valor de la corriente cuando el sentido del barrido es hacia la dirección catódica (Figura 1b). Esto indica que se encuentra favorecido un mayor depósito de aluminio sobre el electrodo cuando el barrido se inició hacia la dirección catódica. De acuerdo con un estudio termodinámico previo, el cual no se muestra aquí, se espera la obtención de aluminio metálico (𝐴𝐴𝐴𝐴°) a potenciales muy catódicos. Por otra parte, cuando el barrido de potencial comienza en dirección anódica, se observa un proceso de oxidación O2 muy amplio (ver recuadro de la figura 1a y 1b), en el cual la corriente anódica se incrementa gradualmente. Este proceso de oxidación se atribuye a la oxidación y pasivación de la superficie del electrodo de aluminio, lo cual desfavorece la generación de las especies de aluminio 𝐴𝐴𝐴𝐴°/𝐴𝐴𝐴𝐴3+. 3.2 Estudio cronoamperométrico Para realizar el estudio cronoamperométrico se seleccionó un intervalo de potenciales catódicos que van desde -1.8 hasta -2.6 V (figura 2) para observar el comportamiento de la corriente y la obtención de una especie insoluble de aluminio precipitada en la solución o depositada sobre el electrodo.

O1

C1

O1

C1

O2 O2

(a) (b)



Figura 2. Transitorios potenciostáticos obtenidos sobre electrodos de aluminio durante 3 horas en una

solución de aluminio a pH 3.6.

Los transitorios potenciostáticos observados en la figura 2, muestran que a potenciales de -1.8 las corrientes correspondientes presentan un comportamiento muy estable casi sin cambio. Mientras que a -1.9 V la corriente comienza a incrementarse, haciéndose más catódica. A los potenciales impuestos de -2.0 a -2.1 estos presentan un cambio muy pronunciado de la pendiente en la corriente, lo cual podría ser atribuido al depósito de una especie insoluble que satura la superficie del electrodo y la hace más resistiva. A los potenciales de -2.2 y -2.3 V, las corrientes presentan nuevamente un comportamiento muy estable pero con una corriente catódica ligeramente mayor los anteriores. A un potencial de -2.4, el comportamiento de la corriente es semejante al de los potenciales de -2.0 a -2.1. A partir de potenciales de -2.5 y -2.6, la corriente catódica presenta un incremento muy importante, el cual es favorecido por la reacción de evolución de hidrógeno. La figura 3 muestra a la superficie de los electrodos de aluminio después de la imposición de los potenciales catódicos analizados. En los potenciales de -1.8 y -1.9 V, se observa la generación de una especie de aluminio depositada sobre el electrodo muy limitada. Mientras que a partir de los potenciales de -2.0 y -2.4V, la presencia de un depósito sobre el electrodo fue más evidente. A potenciales de -2.5 V y -2.6V, los electrodos presentaron una cantidad menor de depósito debido a la reacción de evolución de hidrógeno, que muestran una interferencia al proceso. De esta manera, se determinó que la cantidad de los depósitos sobre los electrodos muestran una relación directa con el comportamiento de la corriente en los transitorios potenciostáticos de la figura 2.



Figura 3. Depósitos obtenidos sobre electrodos de aluminio a diferentes potenciales impuestos durante

periodos de 3 horas, empleando una solución de aluminio a pH 3.6.

Es importante mencionar que los depósitos que se observan sobre los electrodos de aluminio, en apariencia no pertenecen a aluminio metálico. Sin embargo, esto ya estaba previsto al considerar que el aluminio metálico puede ser transformado espontáneamente a un óxido [10] o un hidróxido en presencia de un medio acuoso o cambio de pH interfacial por la reducción del medio, de acuerdo con las siguientes reacciones propuestas:

Al3+ + 3e- → Al0 (1) Al3+ + H2O → Al(OH)3 + 3H+ (2) 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- (3) Al3+ + 3OH- → Al(OH)3 (4) Al0 + 3O2 → 2Al2O3 (5) Al0 + 3H2O → Al2O3 + 3H2 (6)

Con el fin de identificar las especies de aluminio que están presentes en los depósitos sobre los electrodos de aluminio, estos se analizaron por difracción de rayos X (DRX). 3.3 Caracterización por difracción de rayos X (DRX) La figura 4 muestra los difractogramas obtenidos por DRX sobre los depósitos en los electrodos de aluminio, a los potenciales de -2.2 y 2.3 V (figura 4a y 4b, respectivamente), donde se identificó una especie de óxido de aluminio cristalina de Al2O3; además de Bayerita que es una especie amorfa. La Tabla 1 muestra el porcentaje de las especies obtenidas en ambos potenciales impuestos utilizando el software Match versión 1.11, donde se muestra una mayor presencia de la especie cristalina de Al2O3 (52.3 y 54.7 %, respectivamente), al parecer corindón. En el resto de los potenciales, a excepción de -1.8 y -1.9 donde sólo se pudo identificar el sustrato de aluminio, se identificó principalmente la especie de hidróxido de aluminio correspondiente a la Bayerita. Estos resultados muestran que es posible obtener especies de óxido (Al2O3), tanto como de hidróxido de aluminio (Al(OH)3), si se controla el potencial impuesto en cierto valor.



Figura 4. Difractogramas obtenidos sobre los depósitos en los electrodos de aluminio a potenciales

impuestos de: a) -2.2 y b)-2.3 V.

Tabla 2. Porcentaje de las especies obtenidas sobre los depósitos en los electrodos de aluminio a dos potenciales impuestos.

Especie -2.2 V -2.3 V Ficha PDF

Porcentaje (%) Al2O3 52.3 54.7 00-085-1337 Al(OH)3 33.1 31.4 00-077-0250

3.4 Análisis por espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) Para complementar el estudio, se analizaron los potenciales anteriores a partir de la técnica de espectroscopia de impedancia electroquímica para caracterizar mejor el sistema y conocer el comportamiento de la resistencia a la transferencia de carga y la capacitancia con respecto a la variación del potencial. Las condiciones para el estudio por EIS fueron: 50 mV de amplitud, el intervalo de frecuencias de 100 kHz a 100 mHz, 3 ciclos de integración y 7 puntos por década. Debido a que el estudio por EIS debe ser llevado a cabo en un régimen estacionario, se impuso el potencial de estudio a corriente directa durante 15 minutos previos a la medición de impedancia (sin abrir el circuito). En la figura 5 se muestra el gráfico de la resistencia a la transferencia de carga según se aumenta el potencial (figura 5a), así como el gráfico del comportamiento de la capacitancia contra el potencial (figura 5b). Un análisis teórico en principio indica que la resistencia debe disminuir conforme aumenta el potencial, de manera exponencial. La resistencia a la transferencia de carga es inversamente proporcional a la rapidez con la cual se lleva a cabo la reacción y proporciona información acerca del

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mecanismo de reacción que podría indicar el motivo por el cual en los potenciales de -2.2 y -2.3 V se favorece la obtención de una especie de óxido de aluminio en comparación con los otros.

Figura 5. Gráficos obtenidos a partir de las pruebas de EIS de la: a) resistencia y b) capacitancia sobre

los electrodos de aluminio a los diferentes potenciales estudiados, en una solución de aluminio a pH 3.6.

En el gráfico de la resistencia (figura 5a), se aprecia un pronunciado cambio de pendiente a partir de un potencial de -2.1 V hacia potenciales más catódicos y manteniéndose casi constante hasta -2.3 V. El gráfico de la capacitancia (figura 5b) muestra un comportamiento similar en estos potenciales, al observarse un cambio de pendiente, lo que respalda al gráfico de la resistencia. Es muy probable que este cambio en ambas pendientes indica un cambio en el mecanismo de reacción, que podría indicar el motivo por el cual en los potenciales de -2.2 y -2.3 V se favorece la obtención de una especie de óxido de aluminio, en comparación con los otros potenciales. 4. CONCLUSIONES Se pudo determinar que algunas especies de aluminio depositadas sobre los electrodos, ocurre a potenciales lo suficientemente catódicos (≥ -1.9). Además de que a potencias de -2.0 a -2.4 V es donde aparece mayor cantidad de depósito. En los potenciales de -2.5 y -2.6 V los depósitos se vieron limitados por una alta evolución de hidrógeno. Se determinó también que las especies presentes en los depósitos sobre los electrodos, pertenecen a especies de óxido de aluminio cristalino (Al2O3) e hidróxido de aluminio (Al(OH)3) amorfo. En los potenciales de -2.2 y 2.3 V, es donde un mayor porcentaje de la fase cristalina de Al2O3 fue obtenida, 52.3 y 54.7 %, respectivamente. Se evitó la formación de una especie diferente de aluminio, como la thenardita (Na2SO4) al utilizar NH4OH para ajustar el pH. Los resultados obtenidos a partir de EIS permiten identificar la región en la cual existe un cambio en el mecanismo de reacción el cual puede estar asociado a la formación del óxido de aluminio cristalino sobre la Bayerita. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al AACTyM-UAEH por brindar su apoyo y la disponibilidad de los equipos e instalaciones para realizar los experimentos. J. C. García-Mayorga quiere agradecer al CONACyT por la beca otorgada para realizar sus estudios de Maestría en Ciencias de los Materiales. BIBLIOGRAFÍA [1] A. Sánchez: El financiero, México, 2014. [2] J. G. Soro: Veo Verde, México, 2013.

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[3] D. Karen: School of doctoral studies of the EU, 2010, pp. 109-114. [4] K. Wefers and C. Mirsa: Alcoa Laboratories, 1987. [5] L. Wojciech: The American ceramic society, 2010, vol. 93, pp. 399-412. [6] K. Inoue, M. Hama, Y. Kobayashi, Y. Yesuda and T. Morita: ISRN Ceramics, 2013, vol. 2013, pp. 5. [7] P. Wong and M. Robinson: American Ceramic Society, 1970, pp. 617-621 [8] T. Helen and K. Vishnu: American chemical society, 2000, vol. 12, pp. 1195-1204. [9] W. Hosford and J. Duncan: Scientific American Inc., 1994. [10] E. Meyer: Chemistry of hazardous materials prentice hall, 1997, pp. 156-184.

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