EVALUACION DEL DIOXIDO DE TITANIO COMO MEDIADOR PARA LA REACCION DE SINTESIS DE METANOL A PARTIR DE DIOXIDO DE CARBONO

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Se debe tener en cuenta que en la reacción el dióxido de carbono es el reactivo principal y el agua funcionará como donador de radicales •OH. También debe recalcarse que es necesario el uso de pares iónicos que facilitan la reducción del dióxido de carbono, en este caso se utilizó yoduro de potasio como fuente de los iones yoduro y yodopovidona como fuente de yodo molecular.

Montaje de reacción [pic 1]

Ilustración 1 Montaje de reflujo para la reacción sin presencia de luz ultravioleta

[pic 2]

Ilustración 2 Montaje de reflujo para la reacción con presencia de luz ultravioleta. Reactor de teflón con ventana de cuarzo

Este proceso inició con un primer montaje de reflujo (Ilustración 1); se prepararon 200 mL de una solución de dióxido de titanio (TiO2) junto con yodopovidona ((C6H9NO)x .x-I2) y yoduro de potasio (KI) en una plancha de calentamiento con agitación constante. Se transfirió cuantitativamente a un balón de 3 bocas con fondo redondo de 500ml, completando un volumen total de 300 ml con agua destilada. Este balón estaba adaptado a un montaje de reflujo con un condensador recto, por una de las bocas se conectó una manguera que dirigió el dióxido de carbono almacenado en un recipiente hermético al fondo del balón, la cantidad de CO2 varia con el tiempo de reacción, la otra boca se encontraba sellada.

Para el segundo montaje de reflujo (Ilustración 2) se preparó la solución anterior para un volumen de 50ml. Esto debido al uso de un reactor que fue diseñado con una ventana de cuarzo que permite la entrada de luz ultravioleta, proporcionada con un bombillo de 110v y una frecuencia de 60 Hz. Este reactor tenía un volumen máximo de 60ml al que se le conectó un condensador recto de marca silicer y una manguera que dirigía el CO2 al fondo del reactor. Para las reacciones que no tenían la presencia de luz ultravioleta, no se tenía ningún control especial, debido a que el vidrio no permite el paso de luz ultravioleta entonces, aunque estos montajes se realizaron durante el día, la solución no se vió afectada.

Después de determinado tiempo de reacción, la sustancia obtenida se llevó a destilación (Ilustración 3) y con una temperatura un poco más alta a la del punto de ebullición del alcohol, las muestras recogidas luego fueron analizadas.

[pic 3]

Ilustración 3 Montaje de destilación para la reacción sin presencia de luz ultravioleta.

Obtención de etanol

En el proceso de destilación se controló que la temperatura no supere 85°C puesto que el punto de ebullición del etanol es de 78,37°C a la presión de Bogotá. Se recogieron aproximadamente 60 mL de destilado luego se pasó por un filtro de nylon 0.45mm, para eliminar cualquier residuo sólido. Las muestras fueron empacadas en viales de (ml) para su posterior análisis.

Este procedimiento fue realizado para las reacciones llevadas a cabo en esta investigación.

Caracterización de muestras

La identificación de etanol en las muestras se realizó mediante el método de cromatografía de gases- acoplada a espectrometría de masas, el equipo utilizado fue un Thermo Xcalibur – 97209 con una columna acoplada a masas y con condiciones de temperatura de rampa de 50-130°C, isotérmica de 5°C/min con flujo de Helio 1mL/min, inyector a 130°C y masas de 30-100 m/z.

Se utilizó como patrón una solución estándar con una concentración del 1% que se preparó a partir de un etanol 99,9% de marca Merck, esta solución proporcionó el tiempo de retención para la obtención de etanol.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

El cromatógrafo tiene incorporado una librería a la que se puede entrar por medio del software Thermo Xcalibur, que permite seleccionar el pico que se quiere identificar brindado la estructura y composición que representa. Como se puede observar en los resultados los tiempos de retención no varían por lo que pueden ser identificados gracias al estándar.

El tiempo de reacción influye con respecto al porcentaje de probabilidad de obtención de etanol en cada uno de los picos. Así pues para un tiempo de reacción de 6 horas se observa que el porcentaje es menor, que en un tiempo de reacción de 24 horas y así mismo este es menor que en el tiempo de reacción de 48 horas, lo que sugiere que la reacción de conversión del CO2 a etanol se está dando.

Tabla 1 Cromatografía de gases masa (% de probabilidad de obtención de etanol)

[pic 4]

Las muestras tratadas con luz ultra violeta muestran una mayor probabilidad contener etanol en comparación con las que no son expuestas en un mismo tiempo de reacción. Se determina a simple vista que la intensidad del pico varía no solo por el tiempo, si no por la exposición a luz ultravioleta. Esto se debe a que la luz ultravioleta activa el TiO2, acelerando la reacción debido a su propiedad de foto-catalizador. Dicha activación se da al generar la fotoexitación de un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción del material y cuando las partículas de TiO2 son lo suficientemente pequeñas se evita el proceso de recombinación de un par electrón-hueco permitiendo así el uso de esos electrones en la reacción de reducción del CO2 a etanol. La baja probabilidad de etanol como resultado de la espectrometría de masas puede deberse a dos factores. El primero, es posible que el tamaño de partícula del material no sea lo suficientemente pequeño para evitar la recombinación de los pares electrón-hueco y el segundo, puede que exista baja absorción de fotones debido al color que toma la solución por la presencia del yodo.[c]

Para la reacción de 24 horas sin luz ultravioleta se observa un porcentaje de probabilidad muy bajo en comparación con el valor en el tiempo de reacción de 6 horas, esto puede deberse a que el dióxido de carbono no estuvo en contacto con la solución por un largo periodo de tiempo o que al momento de envasar la muestra, esta haya quedado mal sellada lo que permite que parte del alcohol formado se pudiera volatilizar.

La pequeña variación de los picos base en los espectros de masa obtenidos puede deberse a la falta de calibración del equipo. El peso molecular del etanol es de 46 g/mol sin embargo el pico base es de aproximadamente 45, esto se debe a que