SIMULACIÓN MOLECULAR EN ZEOLITAS. EFECTO DE LOS CATIONES SODIO EN LA SEPARACIÓN DE MEZCLAS DE HIDROCARBUROS.

 

 

Las zeolitas son cristales formados por unidades tetraédricas que contienen átomos de silicio o aluminio rodeados por cuatro átomos de oxígeno que se unen compartiendo vértices como se puede ver en la figura 1. La mayor ventaja de estos materiales es que poseen una estructura tridimensional. Tienen poros bien definidos de dimensiones moleculares con alta superficie interna, extraordinaria estabilidad térmica y elevada capacidad de intercambio iónico. Esta última característica aparece como resultado de sustituir algunos de los átomos de silicio de su estructura cristalina, por átomos de aluminio, lo que origina una carga negativa en la estructura que hay que compensar con cationes y protones.

 

Figura 1. Formación de zeolitas a partir de unidades tetraédricas

 

En los últimos años se ha desatado un gran interés industrial por las zeolitas. Desde el punto de vista del control ambiental presentan diversas aplicaciones por su alto potencial en la descontaminación. Por ejemplo se han utilizado para retener metales en aguas ácidas, adsorber e inmovilizar metales pesados de aguas y suelos contaminados y separar Compuestos Orgánicos Volátiles (COV´s),  En la industria se utilizan como rellenos, fertilizantes, suplementos dietéticos en nutrición animal, cementos, adsorbentes y catalizadores.

 

Para que las zeolitas resulten útiles es necesario primero conocer en detalle sus estructuras, analizar sus propiedades y determinar sus limitaciones. El mayor inconveniente de estos materiales es que su síntesis y manipulación resulta en muchos casos complicada y costosa. Gracias al enorme desarrollo de los ordenadores en los últimos años la industria cuenta ahora con el apoyo de la Simulación Molecular. Las simulaciones requieren un menor coste económico, permiten alcanzar condiciones complicadas en el laboratorio (por ejemplo trabajar a muy altas presiones y las bajas temperaturas), ejercen un perfecto control de todos los parámetros que intervienen en el proceso y además proporcionan información a nivel molecular de todos y cada uno de los compuestos que forman parte del sistema.

En este proyecto queremos estudiar el efecto que tienen los cationes sodio sobre la adsorción de mezclas de hidrocarburos en distintos materiales zeolíticos. Este estudio es de gran interés industrial ya que la industria petroquímica recurre a las zeolitas para separar mezclas de hidrocarburos y obtener gasolinas con mayor octanaje, para craquear e isomerizar de forma selectiva combustibles e intermedios petroquímicos y para la síntesis catalítica de moléculas. 

 

Para llevar a cabo este proyecto seguiremos los siguientes pasos:

 

  1. Aprendizaje de las bases fundamentales en simulación molecular. (Empleo del Linux, editor Vi, Gnuplot, programas de dibujo tales como el VMD, manejo del programa CATION …) y búsqueda bibliográfica.

 

  1. Diseño de las estructuras cristalinas, los campos de fuerza, las redes de energía y las topologías de los alcanos que se utilizarán en el proyecto.

 

  1. Determinación de las propiedades de adsorción de mezclas de alcanos en estos cristales. Se estudiará cómo se comportan estas mezclas al variar:

- la temperatura

- la localización de los cationes

- la densidad de los cationes

 

El estudio se realizará inicialmente con materiales tipo faujasita (ver figura 2) y se utilizarán hidrocarburos de alto peso molecular. Se propone empezar con una mezcla inicial de heptano y nonano y en función de los resultados obtenidos extender el análisis a otras mezclas.

 

            Figura 2. Faujasita

 

  1. En un último paso (y dependiendo del tiempo del que dispongamos) se propone extender este estudio a otro tipo de zeolitas. Según los resultados obtenidos se decidirá que estructura puede resultar más interesante. Podrían considerarse estructuras tubulares tales como AFI Y TON, estructuras que forman “cajas” como las erionitas Y LTA o bien estructuras de mayor complejidad tales como MFI, MEL y BEA.

 

 

 

 

 

 

Dr. Sofía Calero
Dpto. Ciencias Ambientales
Facultad de Ciencias Experimentales
Universidad Pablo de Olavide
Ctra. de Utrera, Km. 1
41013    Sevilla  (España)

 

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