Introducción

El PAEOH suele tener afinidad con el tolueno y hexano, debido a la buena atracción química y solubilidad de estos compuestos cuando se permean o filtran en el polímero orgánico (Más et al 2007). El SiO₂ es un polímero inorgánico muy estable químicamente y anti-corrosivo que cuando es incorporado al polímero orgánico evita el movimiento térmico de las cadenas de este último para interaccionar con compuestos orgánicos (García et al 2004). El proceso sol-gel es un método eficiente para preparar materiales híbridos muy puros con baja temperatura.

Figura. 1. Refinería de petróleo crudo en Minatitlán, Veracruz (imagen izquierda) y efluentes de agua contaminada en Santa Alejandrina (Municipio de Minatitlán) (imagen derecha).

Objetivos

El objetivo del presente trabajo fue lograr la preparación de un material híbrido de SiO₂/PAEOH para analizar su capacidad en absorber compuestos contaminantes que se producen durante la refinación del petróleo crudo.

Materiales y Métodos

El 2-2′ azobisisobutironitrilo, 2-mercaptano etanol al 98%, tolueno puro, hexano puro, acrilato de etilo al 99%, benceno puro, tetraetil ortosilicato al 99%, agua destilada, etanol puro, ácido fluorhídrico concentrado al 98% y tetrahidrofurano fueron adquiridos por la Compañía SIGMA-ALDRICH.

El PAEOH se preparó en forma de cadenas (hilos microscópicos) adicionando 2-2′ azobisisobutironitrilo, 2-mercaptano etanol, tolueno y acrilato de etilo dentro de un reactor de vidrio con medio de calentamiento y agitación. La cantidad de 2-2′ azobisisobutironitrilo/2-mercaptano etanol/tolueno/acrilato de etilo fue una relación en peso de 0.03/0.39/20.82/10.41 respectivamente (Vásquez et al 2004). La preparación de las cadenas de PAEOH se realizó mediante polimerización en solución por radicales libres a 70°C, 300 rpm, durante 5 horas. Al PAEOH en solución obtenido se le separó, en benceno puro, restos de acrilato de etilo y 2-mercaptano etanol que no reaccionaron para hacerlo más puro en forma sólida y rígida (Gutiérrez et al 2012).

El SiO₂ se preparó, inicialmente, mezclando tetraetil ortosilicato, agua y etanol a 35°C y 300 rpm, durante 15 minutos, para abrir paso a la reacción de hidrólisis durante el proceso sol-gel. La reacción de hidrólisis permite la formación de los grupos silanoles (Si-(OH)₄) en el sistema. La cantidad de tetraetil ortosilicato/agua/etanol fue una relación en volumen de 1/12/4, respectivamente. Posteriormente, se mezcló agua y ácido fluorhídrico concentrado, a condiciones ambientales, para adicionarlos a la mezcla anterior al término de los 15 minutos y abrir paso al proceso rápido en la reacción de hidrólisis en esta solución inorgánica. Esta solución se dejó agitando durante 10 minutos a 35°C. La cantidad de agua/ácido fluorhídrico fue una relación en volumen de 1/0.1 respectivamente. El ácido fluorhídrico tiene la función de agilizar la ruptura de enlaces de las moléculas de agua para permitir su reacción instantánea con la molécula del tetraetil ortosilicato (Klein 1985). Además de la reacción de hidrólisis se lleva a cabo simultáneamente la reacción de condensación, donde los grupos Si-(OH)₄ reaccionan entre sí para formar una red de O-Si-O o polímero inorgánico (SiO₂). Finalmente se mezcló el PAEOH con tetrahidrofurano, a condiciones ambientales, para adicionarlos a la solución inorgánica al término de los 10 minutos y abrir paso a la incorporación de las cadenas del polímero orgánico, mediante el hidroxilo al final de sus cadenas, con la red de SiO₂ por condensación en esta solución híbrida (Espiard y Guyot 1995). La cantidad de PAEOH/tetrahidrofurano fue una relación en peso de 1/3 respectivamente. La solución híbrida se dejó agitando durante 40 minutos a 35°C y al término de este tiempo se secó a 65°C durante 24 horas (Fig. 2) y se pulverizó finamente para generar el material híbrido de SiO₂/PAEOH. El porcentaje en peso del polímero inorgánico (%SiO₂) en el material híbrido fue de 38%. Este material se depositó en un tubo de vidrio, de 10 cm de longitud y 1.2 cm de diámetro, y se cubrió con papel filtro en sus extremos para sumergirlo verticalmente en el tolueno y hexano individualmente, y permitir la filtración de estos por la parte inferior del tubo, a condiciones ambientales (Fig. 2). El volumen de tolueno y hexano fueron 500 mililitros cada uno.

Figura. 2. Material híbrido de SiO₂/PAEOH seco (imagen izquierda) y material híbrido SiO₂/PAEOH absorbiendo tolueno (imagen derecha).

Resultados y Discusión

El peso inicial del material híbrido seco fue 3 gramos y 11.4 gramos con tolueno a los 18 minutos de permanecer en contacto con este; por lo que el material lo absorbió en 380% de su peso inicial ó 2.8 veces más su peso. El peso del material híbrido con hexano fue 8.1, durante el mismo tiempo de contacto con este; por lo que el material lo absorbió en 270% de su peso inicial ó 1.7 veces más su peso. La mayor absorción de tolueno, por el PAEOH, se debe principalmente a la interacción química del átomo de oxígeno, del polímero orgánico, con el anillo aromático, del tolueno (Wohlfarth 2009), además de la inmovilidad de las cadenas del PAEOH que retienen las moléculas de tolueno; mientras que la menor absorción de hexano por este polímero orgánico se debe solamente a la retención de las moléculas de hexano por sus cadenas inmóviles. Sin embargo, el material híbrido de SiO₂/PAEOH desorbió el tolueno y hexano en 280 y 200% de su peso inicial, respectivamente, a 18 minutos de permanecer bajo condiciones ambientales, debido a la cantidad mayor de las cadenas orgánicas del PAEOH que retardan la desorción de ambos compuestos orgánicos. Asimismo, el material híbrido de SiO₂/PAEOH puede ser reutilizable después de la desorción del compuesto orgánico, en comparación con los procesos de destilación azeotrópica y extractiva que emplean equipamiento costoso, utilizan altas temperaturas y extraen estos compuestos orgánicos en mayor tiempo (Rodríguez et al 2003). Por tanto, el material híbrido de SiO₂/PAEOH posee alta estabilidad y durabilidad, resistencia a ambientes corrosivos y alta filtración.

Conclusiones

Por microscopía óptica se observó el material híbrido de SiO₂/PAEOH seco donde su estructura es estable, y el material híbrido con el tolueno absorbido (Fig. 3), donde su estructura es blanca y porosa debido a la retención del compuesto orgánico por las cadenas o hilos orgánicos provenientes del PAEOH. Asimismo, la estructura negra permanece intacta debido a la buena estabilidad química correspondiente al SiO₂ o polímero inorgánico, en el material híbrido.

Figura. 3. Micrografía del material híbrido SiO₂/PAEOH seco (imagen izquierda) y con tolueno absorbido (imagen derecha); con un acercamiento de 10 veces.