https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20772/Ingenierias_2010_Vol_13_No_49_Octubre-Diciembre.pdf 566e2250eeca26fa4a5fd1b615eb2e1e PDF Text Text �Contenido Octubre-Diciembre de 2010, Vol. XIII, No. 49 49 2 Directorio 3 Editorial Educación en México a 200 años de su independencia Félix Sánchez De Jesús 9 Láser: 50 años J. Rubén Morones Ibarra 18 Síntesis de fotocatalizadores activos a la radiación visible y aplicación en película delgada Azael Martínez De la Cruz, Sergio A. Obregón Alfaro, Enrique M. López Cuéllar, Karen H. Lozano Rodríguez 26 Semiconductores tipo perovskita en procesos fotoinducidos para la purificación de agua Leticia M. Torres-Martínez, Isaías Juárez Ramírez, Xiomara L. García Montelongo 35 Pioneros de la industria del cemento en el Estado de Nuevo León, México: Cementos Hidalgo, S.C.L. Javier Rojas Sandoval 44 Nuevo algoritmo de protección diferencial de transformador basado en análisis de componente principal Alicia Marisol Ramírez Castillo, Ernesto Vázquez Martínez 53 Aplicaciones de la nanotecnología en fuentes alternas de energía Domingo I. García Gutiérrez, Marco A. Garza Navarro, René F. Cienfuegos Peláez, Leonardo Chávez Guerrero 63 Cinética de oxidación de la pirita, subproducto ácido del drenaje de la mina La Guitarra Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, Edgar Amauri Arteaga Balderas, Rosa María Zambrano Cárdenas, Liborio González Torres 70 Eventos y reconocimientos 73 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 76 Acuse de recibo 77 Colaboradores 79 Información para colaboradores Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 1 �DIRECTORIO CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Liviu Sevastian BocÎI Rumanía. U. “Aurel Vlaicu”, Arad. Dr. Juan Jorge Martínez Vega Francía. Universidad de Toulouse III Dr. José Evaristo Ruzzante Argentina. CNEA. Dr. Samir Nagi Yousri Gerges Brasíl. UFSC, Florianopolis. Dra. Karen Lozano DIRECTOR M.C. Fernando J. Elizondo Garza FIME-UANL EDITOR Dr. Juan Antonio Aguilar Garib FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García UPRM Dr. Juan Miguel Sánchez Dr. Rafael Colás Ortíz USA. UT-Austin FIME-UANL INDIZACIÓN L.Q.I. Sergio A. Obregón Alfaro Dr. Jesús De León Morales CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Óscar L. Chacón Mondragón FIME-UANL Dr. Moisés Hinojosa Rivera FIME-UANL FIME-UANL Dr. Virgilio A. González González FIME-UANL Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar FIME-UANL Dra. Oxana Vasilievna Karisova Dr. Boris l. Kharissov FCFM-UANL FCQ-UANL Dr. Benjamín Limón Rodríguez FIC-UANL Dr. José Rubén Morones Ibarra FCFM-UANL Dr. Ubaldo Ortiz Méndez DISEÑO M.A. José Luis Martínez Mendoza FOTOGRAFíA M.C. Jesús E. Escamilla Isla Dr. Azael Martínez De la Cruz FIME-UANL WEBMASTER Ing. Dagoberto Salas Zendejo M.C. César A. Leal Chapa FIME-UANL Dr. Enrique López Cuellar FIME-UANL FIME-UANL M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo Dr. Miguel Ángel Palomo González FFYL-UANL FCQ-UANL Dr. Martín Edgar Reyes Melo Dr. Ernesto Vázquez Martínez FIME-UANL FIME-UANL Dr. Roger Z. Ríos Mercado Dr. Jesús González Hernández FIME-UANL CIMAV TIPOGRAFÍA Y FORMACIÓN Gregoria Torres Garay Jesús G. Puente Córdova TRADUCTORES CIENTÍFICOS Lic. José de Jesús Luna Gutiérrez Dra. Martha A. Fabela Cárdenas FIME-UANL Dr. Mauricio Cabrera Ríos USA. UT-Panam REDACCIÓN Lic. Julio César Méndez Cavazos IMPRESOR M.C. Mario A. Martínez Romo René de la Fuente Franco Dr. Félix Sánchez De Jesús ICBI-UAEH UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector / Dr. Jesús Áncer Rodríguez Secretario General / M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario Académico / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado / Dr. Mario C. Salinas Carmona Secretario de Extensión y Cultura / Lic. Rogelio Villarreal E. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Director / M.C. Esteban Báez Villarreal Sub-Director de Estudios de Posgrado / Dr. Moisés Hinojosa Rivera Sub-Director Académico / M.C. Arnulfo Treviño Cubero Sub-Director Administrativo / M.C. Felipe de J. Díaz Morales Sub-Director de Desarrollo Estudiantil / M.C. Hugo E. Rivas Lozano Sub-Director de Vinculación y Relaciones / M.C. Jaime G. Castillo Elizondo Sub-Director de Desarrollo Institucional y Humano / Dr. Arturo Torres Bugdud 2 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Editorial: Educación en México a 200 años de su independencia Félix Sánchez De Jesús Instituto de Ciencias Básicas e Ingenierías-UAEH fsanchez@uaeh.edu.mx Dos mil diez es el año de la conmemoración y celebración de los dos acontecimientos históricos de mayor relevancia en nuestro país, el bicentenario de la independencia y el centenario de la revolución, sin embargo, como en cualquier fecha importante, es obligado reflexionar sobre la manera en que las generaciones actuales han aprovechado el sacrificio realizado por hombres y mujeres, en su deseo por alcanzar ideales de igualdad y mayor bienestar en la calidad de vida de sus conciudadanos. Estos sucesos históricos, se vieron influenciados por el tipo y la calidad de la educación predominante en cada época y del mismo modo, los sectores o grupos sociales que surgieron como vencedores, impulsaron nuevos sistemas educativos con el objetivo de formar ciudadanos de provecho, que permitieran abatir la pobreza, aspirar a la igualdad, la libertad, la protección de la propiedad privada y el derecho al trabajo bien reglamentado, por mencionar algunos de los ideales de la ilustración francesa que fueron acogidos de buen modo por los mexicanos al consumarse la independencia. Sin embargo, estos ideales fueron rápidamente opacados por las diversas circunstancias de índole política y económica. La realidad nacional impidió que el anhelo educativo se llevara a cabo. Las finanzas se encontraban en una situación desastrosa, había mucho peligro ante las invasiones extranjeras, el sistema político estaba desarticulado y con fuertes resentimientos que ocasionaron luchas entre centralistas y federalistas. A este difícil panorama, se agregó el incremento en la deuda externa, por lo que la economía se vio drásticamente mermada. Desde entonces México ha pasado por diversas etapas históricas de inestabilidad política y económica, a pesar de lo anterior, en cada una de ellas se mantuvo el ideal de formar ciudadanos educados. Fue hasta la conclusión de la Revolución Mexicana y la promulgación de la Constitución de 1917, cuando la educación se establece como un elemento básico para crear una sociedad libre y soberana, consolidándose en el artículo 3°, cuya esencia es que todo individuo tiene derecho a recibir enseñanza laica, gratuita y tiene carácter obligatorio. Una pregunta válida que puede surgir de los discursos de soberanía, libertad e independencia propios de las celebraciones mencionadas es, si después de 200 años los mexicanos hemos dado cumplimiento a los anhelos que ahora expresa el artículo tercero. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 3 �Educación en México a 200 años de su independencia / Félix Sánchez De Jesús Aunque existen diversos documentos que expresan que son notorios los logros alcanzados en el tema de educación también hay informes, nacionales e internacionales de reciente publicación, que ponen en evidencia las limitaciones en el cumplimiento de los aspectos señalados por nuestra constitución en relación a la educación. No sería válido enfrentar tal contradicción sin mencionar algunos detalles históricos sobre el propio artículo 3° que consagra la garantía de libertad de enseñanza. Es hasta la promulgación de la Constitución de 1857 que se establece una legislación para la educación en el artículo tercero que dice “La enseñanza es libre. La Ley determinará que profesiones necesitan título para su ejercicio y con que requisitos se deben expedir” la cual fue modificada en 1917 a “La enseñanza es libre; pero será laica la que se dé en los establecimientos oficiales de educación, lo mismo que la enseñanza primaria, elemental y superior que se imparta en los establecimientos particulares”. En 1921 se crea la Secretaría de Educación Pública encabezada por el Lic. José Vasconcelos Calderón, quien desde la perspectiva de la vinculación de la escuela con la realidad social creó la Dirección General de Educación Técnica, de donde surgieron diversas instituciones como las escuelas: de Ferrocarriles, de Industrias Textiles, la Nacional de Maestros Constructores, la Tecnológica para Maestros, la Nacional de Artes Gráficas y la Técnica de Taquimecanógrafos. Además de otras 88 de tipo técnico: mineras, industriales, comerciales y de artes y oficios, 71 de carácter oficial y 17 particulares. Desde entonces ya existía un propósito claro de ampliación de la infraestructura y extensión de la educación, así como la elevación no sólo de la calidad, sino de la especialización. Sin embargo, la lucha electoral por la sucesión presidencial de 1924, que desembocó en la rebelión delahuertista y las presiones norteamericanas plasmadas en los compromisos acordados en las conferencias de Bucareli, limitaron el alcance nacionalista que se pretendía en el proyecto vasconcelista, pues aunque no se abandona el proyecto original, éste fue acotado drásticamente. En los años siguientes México siguió padeciendo situaciones críticas que golpearon en mayor medida a las clases sociales más pobres, así cuando Lázaro Cárdenas asume la presidencia el 1 de diciembre de 1934, y habiéndose aprobado unos meses antes la reforma del artículo 3º constitucional se crearon condiciones favorables para una reforma educativa que incluía el término de educación socialista. Los objetivos de la educación cardenista se pueden resumir con una educación orientada hacia la vinculación de la escuela con los sectores mayoritarios de la población y los problemas concretos de la sociedad como cimiento para la construcción de una sólida unidad nacional; educación para formar y capacitar los cuadros calificados técnicos y profesionales requeridos para el desarrollo de la industria, el agro y los servicios; educación para contribuir al mejoramiento de las condiciones materiales de vida de los trabajadores, logrando una distribución más equitativa de la riqueza; y, educación para garantizar la independencia y soberanía del país, a partir de un 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Educación en México a 200 años de su independencia / Félix Sánchez De Jesús mayor desarrollo de las fuerzas productivas y del fortalecimiento de la cultura y de los sentimientos nacionales, estos objetivos sirvieron de fundamento para que en 1936 se creara el Instituto Politécnico Nacional. Aún así, el CONACYT no fue fundado hasta 1970 y la reforma que brinda autonomía a las universidades e instituciones se promulgó en 1980. Es hasta la reforma de 1991 donde se propone que además de impartir la educación preescolar, primaria y secundaria, el estado promueva y atienda todos los tipos y modalidades educativos necesarios para el desarrollo de la nación, apoyará la investigación científica y tecnológica y, alentará el fortalecimiento y difusión de nuestra cultura, y no es hasta el 2002 que se expide la Ley de Ciencia y Tecnología y la Ley Orgánica del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. Como puede observarse, aunque la necesidad de modernización educativa no es nueva ha tenido que esperar porque las leyes se dan por consenso y éstos siempre toman tiempo. Como ejemplo de cómo se aprecia la educación de México en la actualidad a continuación se muestran extractos comentados del Informe de Seguimiento de la Educación para Todos en el Mundo 2010 (EPT 2010) elaborado por la Organización de las Naciones Unidas para la Educación la Ciencia y la Cultura (UNESCO, por sus siglas en inglés) y del reporte del relator especial sobre el Derecho a la Educación de la ONU, Vernor Muñoz Villalobos en su visita a México, realizada en el pasado mes de febrero de 2010. ACCESO A LA EDUCACIÓN Y COMPETITIVIDAD En el Informe EPT 2010 se revela que en México, 34 millones de personas están en rezago educativo; 7 millones son analfabetas; 1.4 millones de niños no asisten a la escuela; más de 1 millón 324 mil tienen menos de cuatro años de estudio, y hay un número inestimable de analfabetas funcionales. Por otro lado, en el ámbito profesional de la ingeniería, la Academia de Ingeniería, A. C., señala que hay alrededor de 745,377 estudiantes de las diversas ingenierías, un número mayor al que tiene Estados Unidos de América, e incluso, China, de acuerdo con datos del estudio “Estado del Arte y Prospectiva de la ingeniería en México y el mundo”. La comparación numérica puede evaluarse de manera optimista y aceptar que nuestro país hace esfuerzos por responder a las exigencias del desarrollo industrial que el mercado global demanda pero esto se encuentra en franca contradicción con nuestra pérdida de competitividad ante los mercados mundiales que podría considerarse como un síntoma de mala calidad en la enseñanza y el aprendizaje de la ingeniería. El origen puede tener diversas causas, pero lo realmente importante es definir y aplicar los mecanismos que nos permitan ascender en la escala de competitividad mundial. La competitividad está asociada con tres indicadores aceptados internacionalmente: la conectividad, la legitimidad y la estabilidad económica. Al parecer, un ascenso en la competitividad está ligado a un aumento en la conectividad, que es un indicador complejo, pues se constituye por la infraestructura disponible, el desempeño con respecto a esta infraestructura y por las habilidades-competencias para operarla. La conectividad es también un Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 5 �Educación en México a 200 años de su independencia / Félix Sánchez De Jesús factor de equidad. El contraste para la competitividad podría ser la inequidad que, igualmente, se vería reflejada en una pobre o rica conectividad. A nivel mundial, México tiene el lugar 55 en el índice de Desarrollo de Educación para Todos, que mide el acceso a los servicios educativos. De acuerdo con el informe, tiene el lugar 65 en la cantidad de alumnos que alcanza el quinto grado, y el 66 en alfabetización para adultos. Mientras que en el acceso de las mujeres a la educación, está en la posición 58. En el contexto ingenieril, los resultados para México indican una posición competitiva relativamente baja, con respecto a países competidores como Chile y Brasil. Nuestra posición competitiva es un reflejo de la productividad y una expresión indirecta del rezago en desarrollo tecnológico y en educación. Así pues, es obvio lo que Vernor Muñoz Villalobos señala sobre la existencia en nuestro país de grandes asimetrías estructurales y desigualdad en la educación. México enfrenta dos grandes retos: abatir la exclusión que genera el propio sistema educativo y elevar la calidad. En su relatoría Muñoz no menciona abiertamente que haya descriminación, pero si señala que la exclusión de las oportunidades educativas tiene destinatarios muy precisos: “Las poblaciones pobres reciben una educación pobre”. En ese sentido, el informe EPT 2010 indica que la desigualdad en el aprendizaje tiende a ser más amplia en los países de bajos ingresos. Adicionalmente se exponen datos concernientes a la población indígena, donde se dice que el hablar una lengua diferente a la oficial está asociado al bajo desempeño escolar. En México, la población indígena cursa tan sólo 1.5 años en la escuela, mientras que a nivel nacional el promedio alcanza los ocho años. Ocho de cada 10 indígenas no cuentan con educación básica. La tasa de analfabetismo alcanza hasta al 50 por ciento de la población en las zonas rurales; sin embargo, de los 1.5 millones de indígenas en rezago educativo, sólo se atiende a 66 mil. A diferencia del 17 por ciento de la población nacional que ingresa a la universidad, únicamente el 1 por ciento de los indígenas que cursan la primaria acceden a estudios a nivel superior. Esta situación de desigualdad también se ve reflejada en el desempeño ya que en el informe EPT 2010 se describe que, los niños del 25 por ciento de las familias más ricas obtienen calificaciones en matemáticas entre 25 y 30 por ciento mayores que las de los niños que pertenecen al 25 por ciento de las familias más pobres. Las mujeres mexicanas tienen de 1.5 a 1.7 veces más probabilidades de ser analfabetas que los hombres. En el caso de las mujeres que hablan una lengua indígena, hay 15 por ciento de probabilidades más de ser analfabetas que aquellas que hablan español. Se señala que para 1994, de los adultos analfabetas, el 62 por ciento eran mujeres. Para el periodo comprendido entre 2000 y 2007, el porcentaje de mujeres analfabetas aumentó un punto. No obstante el rezago educativo, la Secretaría de Educación Pública destina únicamente 0.86 por ciento de su presupuesto a la educación para adultos. El informe EPT 2010 describe que los estados del sur del país tienen un pobre desempeño para combatir la desigualdad educativa. Chiapas se señala como el caso más representativo, donde la media de escolaridad oscila entre 5.7 y 6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Educación en México a 200 años de su independencia / Félix Sánchez De Jesús 6.6 años de escolaridad, mientras que a nivel nacional, los jóvenes entre 17 y 22 años tienen un promedio de educación de ocho años, y en regiones como el Distrito Federal alcanzan hasta los 10 años. DESERCIÓN Y BAJO DESEMPEÑO Muñoz Villalobos hizo notar que en México “más que conformarse con los estándares de matriculación en primaria, el Estado debe ocuparse con determinación en garantizar la trayectoria exitosa de las personas a lo largo del proceso educativo”. Es claro que todos los mexicanos tenemos derecho de acceso a la educación en los términos que establece el artículo 3°, sin embargo una situación de la que no se está consciente es de que el egreso y graduación depende del esfuerzo individual, muchas veces condicionado por el nivel socioeconómico de cada ciudadano en la escuela. Esta falta de conciencia ha creado los sistemas de oportunidades múltiples, ciertamente necesarios pues hay acontecimientos impredecibles que pueden afectar un resultado, pero que a últimas fechas se están convirtiendo en la regla y no la excepción. Esta situación que incrementa el costo de la educación y disminuye la eficiencia, no puede ser solucionada mediante reformas a la educación, pues se trata de esquemas cuyo origen y fundamento es político. Al respecto, mencionó que el promedio de éxito escolar es de apenas 8.5 años. Aunque el país alcanza coberturas en primaria y secundaria del 98 y 92 por ciento, de cada 100 niños que ingresan a primaria, sólo 66 terminan en tiempo normativo, 17 entran en la universidad y dos o tres en posgrado. Cerca del 35 por ciento de los alumnos de educación media superior deserta. Tal situación se agrava con un sistema de examen único que conduce a un proceso selectivo y castiga a los que no tienen buenas oportunidades educativas. Ante este panorama y después de 200 años como nación soberana e independiente, es difícil sentirse satisfecho de los logros educativos alcanzados, sobre todo sabiendo que nuestras debilidades educativas han contribuido, en gran medida, a los altos niveles de marginación y pobreza de un gran sector de la población mexicana. El año dos mil diez es un momento para celebrar, pero también es la ocasión para reflexionar y emprender acciones que permitan hacer valer cada uno de los artículos establecidos en nuestra carta magna. El documento elaborado por la Academia de Ingeniería, A. C. con el patrocinio del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y publicado en mayo de 2010, expresa de manera muy amplia diversas estrategias que se deben implementar para romper la tendencia de estancamiento o atraso en el campo de la ingeniería, considerando algunos de los aspectos prioritarios que deben satisfacerse para aspirar a un país más equitativo y próspero: “Definir los campos de desarrollo científico y tecnológico del país. Impulsar una política de ciencia y tecnología policéntrica, regionalizada y especializada, que esté apoyada en un gasto sustantivo suficiente y creciente. Además del aspecto científico y el desarrollo tecnológico será preciso que los actores involucrados (gobiernos, empresas, académicos) establezcan Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 7 �Educación en México a 200 años de su independencia / Félix Sánchez De Jesús los principios conductores del desarrollo nacional: energía, infraestructura, agroalimentos, turismo y logística-conocimiento. En la medida que esto se consiga seremos dignos de conmemorar los dos sucesos históricos más importantes de nuestro país y que dieron como resultado grandes avances en nuestras condiciones de vida, pero que la realidad actual nos hace ver que hemos contribuido muy poco en mejorarlas. El tiempo es un buen juez, reza el refrán popular, actuemos ahora para que en el transcurso de los siguientes 100 años se dé el progreso de la educación que evite el despilfarro del potencial humano que socava la prosperidad, y así las generaciones futuras tendrán una razón más para celebrar en el tricentenario. BIBLIOGRAFÍA • UNESCO. Llegar a los marginados: Informe de Seguimiento de la Educación para todos en el mundo 2010. http://www.unesco.org/es/efareport/ reports/2010-marginalization/ • Vernor Muñoz Villalobos - ONU. Informe del Relator Especial sobre el derecho a la educación, Sr. Vernor Muñoz Villalobos - Adición - Misión a México. A/HRC/14/25/Add.4. http://ap.ohchr.org/documents/dpage_ e.aspx?m=99 • OCDE. Programa Internacional para la evaluación de los estudiantes de la OCDE (PISA). - Informe PISA 2006. México 2007. ISBN 978-84-369-4529-4 http://www.oei.es/noticias/spip.php?article1491 • Instituto Nacional para la Evaluación de la Educación, “El derecho a la educación en México”. Informe 2009. http://www.inee.edu.mx/; • Academia de Ingeniería de México. “Estado del Arte y Prospectiva de la Ingeniería en México y el Mundo”, mayo 2010. http://www.ai.org.mx/ Estado/docavancegral.html 8 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Láser: 50 años J. Rubén Morones Ibarra Facultad de Ciencias Físico Matemáticas-UANL rmorones@fcfm.uanl.mx RESUMEN Hace cincuenta años se inventó el láser y desde entonces la tecnología láser ha estado desarrollándose constantemente. La aparición de este dispositivo provocó una revolución en la instrumentación científica y tecnológica causando un fuerte impacto en nuestra forma de vivir. Hoy en día hay una gran variedad de tipos de láser que se emplean con múltiples propósitos y sus aplicaciones abarcan una enorme cantidad de las diferentes áreas del quehacer humano. La investigación sobre la tecnología láser continúa y seguramente en el futuro tendremos nuevas aplicaciones. PALABRAS CLAVE Láser, emisión estimulada de radiación, luz coherente, holografía. ABSTRACT Fifty years ago the Laser was invented and since then the laser technology has been developing permanently. The achievement of the laser beam triggered an impressive technological revolution in the scientific instrumentation having a direct impact in the way we live. Nowadays a huge diversity of laser devices are used with distinct purposes embracing a lot of fields of the human activities. The research on laser technology is developing every day and surely we will see in the future new applications of lasers. KEYWORDS Laser, stimulated emission of radiation, coherent light, holography. INTRODUCCIÓN Hace cincuenta años, en 1960, el científico norteamericano Theodore Maiman anunció al mundo la operación del primer aparato láser. Esto ocurrió en el mes de julio; el láser que mostraba era un láser pulsado de rubí que se emitía como una intensa descarga o pulso de luz roja (figura 1). En diciembre de ese mismo año, tres científicos que trabajaban para la compañía Bell Telephone Laboratories, dieron a conocer un nuevo aparato láser que funcionaba exitosamente produciendo un haz de luz de aspecto fantástico. La luz emitida era continua, formando un delgado haz que concentraba una enorme cantidad de energía. Este segundo descubrimiento era un láser de gas de helio y neón que producía un rayo de luz muy diferente a la luz ordinaria, algo que nunca antes se había visto. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 9 �Láser: 50 años / J. Rubén Morones Ibarra Fig. 1. Theodore Maiman con su primer láser de rubí. Desde ese momento se inició una nueva época en la instrumentación científica y tecnológica, produciendo una transformación cuyo impacto todavía no termina. La óptica tuvo una especie de renacimiento y se iniciaron un sinnúmero de nuevas técnicas en el estudio de los fenómenos luminosos. La formación de imágenes de objetos que por mucho tiempo estuvo estudiada y dominada por la fotografía tuvo un resurgimiento con el desarrollo de la holografía, una técnica de fijación de imágenes tridimensionales que solo se consigue con luz láser. La invención del Láser es una de las innovaciones tecnológicas más notables del siglo XX y representa también uno de los más extraordinarios logros científicos en la historia. Desde que se inventó fue evidente para los científicos que representaba un instrumento con un enorme potencial en la ciencia y en la tecnología. Aún cuando sus aplicaciones no fueron vislumbradas inmediatamente, hubo sentimientos encontrados en cuanto a su futuro, unos marcados por el optimismo y otros por el pesimismo. Desde su nacimiento el Láser se vio acompañado de elucubraciones de todo tipo, prometedoras y catastróficas. La fantasía de la gente veía en el rayo 10 láser una luz de esperanza mientras que otros veían un rayo mortal. Algunos le llamaron la luz del futuro y otros el rayo de la muerte. La realidad es que, como todo desarrollo tecnológico, puede ser usado para el bien o para el mal y como lo enseña la religión budista: la llave que abre las puertas del cielo es la misma que abre las puertas del infierno. Al principio no se sabía para qué podría servir el láser pero se tenía la certeza de que representaba un poderoso instrumento óptico. Los científicos empezaron a decir que el láser era una solución en busca de un problema que resolver.1 No es muy extraña la expresión pues muchas veces ocurre que se descubre algo y después se busca para qué puede servir. En la ciencia esto es lo común. Faraday descubrió los fenómenos electromagnéticos sin saber para qué podrían servir. Es famosa la anécdota que se cuenta sobre la presentación por Faraday de los resultados de sus experimentos en una conferencia en Londres. Alguien le preguntó: ¿ y para que sirve todo esto? Faraday contestó: sirve para lo mismo que un niño recién nacido. Este recién nacido dio origen a toda la industria eléctrica y todo lo que se deriva de ella. Richard Feynman comenta en su libro Lectures on Physics, que “el niño recién nacido” resultó ser un niño prodigio que cambió la faz de la Tierra de una forma que su orgulloso padre nunca hubiera imaginado. En el caso del láser se tenía ya un aparato, lo que se buscaba ahora era cómo y para qué utilizarlo. Hoy a cincuenta años de este invento, el láser ha participado en la solución de una gran cantidad de problemas y sus aplicaciones se cuentan por miles. La aparición del láser revolucionó toda la tecnología, la investigación científica, las comunicaciones, la medicina y muchos otros campos del quehacer humano. Hoy en día, la palabra láser forma parte del lenguaje cotidiano de la población. Expresiones como impresora láser, apuntador láser, cirugía con láser, depilación láser, etc. son expresiones que se encuentran ya en el habla de la gente. LA LUZ Para entender más fácilmente los fundamentos físicos de la tecnología y la ciencia del láser es conveniente introducir primero algunas ideas sobre la naturaleza cuántica de la luz. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Láser: 50 años / J. Rubén Morones Ibarra La pregunta sobre qué es la luz es muy antigua, sin embargo, el debate más importante en la historia, sobre la naturaleza de la luz data de la época de Newton y Christian Huygens. Newton pensaba que la luz está formada por un flujo de partículas, mientras que el científico holandés Christian Huygens, en 1678 propuso que estaba formada por ondas. Dado el prestigio científico de Newton, la comunidad científica europea se inclinó por la teoría corpuscular de la luz. Más de cien años después, en 1801, Thomas Young, probó contundentemente, mediante experimentos de interferencia, que la luz es un fenómeno ondulatorio. Posteriormente, con el avance de la ciencia y la tecnología, se pudieron realizar experimentos que permitían escudriñar la estructura de la materia a niveles más profundos. A principios del siglo XX, varios fenómenos llevaron a la conclusión de que, bajo ciertas circunstancias, la luz se comporta también como partícula. Fue entonces que nació la teoría cuántica de la luz, estableciendo su comportamiento dual: la luz como onda-corpúsculo. TEORÍA CUÁNTICA DE LA LUZ El siglo XX se le conoce como el siglo de la física. De 1900 a 1926 se obtuvieron un conjunto de éxitos impresionantes en la física teórica, entre los que se encuentra el desarrollo de la física cuántica, una revolución científica que cambió el paradigma de la ciencia. Con el propósito de explicar ciertos fenómenos relacionados con la emisión y absorción de luz por el hidrógeno, el científico danés Niels Bohr, propuso un modelo para el átomo de hidrógeno (figura 2). En este modelo propuesto en el año de 1913, supuso que los electrones en el átomo de hidrógeno se encuentran “girando” en órbitas circulares alrededor del núcleo atómico. Fig. 2. Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno y niveles de energía de un átomo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 Para explicar los fenómenos observados, Bohr postuló que solamente ciertas órbitas están permitidas y que cada órbita tiene una energía definida. A este postulado se le llama postulado de cuantización porque conduce a la cuantización de la energía. La palabra cuanto es opuesta en su significado a la palabra continuo. Decimos que algo está cuantizado cuando posee solo valores discretos y no continuos. En este sentido, a cada órbita le corresponde un valor específico de energía y se dice que las diferentes órbitas determinan los diferentes niveles de energía del átomo. Otro de los postulados que introdujo Bohr en su modelo es el de la explicación sobre la emisión y la absorción de la luz. Estableció que el fenómeno de la emisión de luz se produce cuando los electrones en el átomo saltan de un nivel de energía a otro más bajo, es decir, de una órbita de energía a otra de menor radio. En este proceso se emite lo que, en la teoría cuántica de la luz se conoce como fotón. Un fotón es un “paquete de luz”, también llamado un cuanto de energía. Estos fotones son entonces las “partículas” o corpúsculos de luz. La dualidad ondapartícula de la luz da lugar a que se hable de ondas o de fotones, indistintamente, cuando nos referimos a la propagación de la luz. La energía E de un fotón que se emite cuando el electrón salta del nivel de energía E2 al nivel E1, está dada por E=E2-E1=hv. La constante h es conocida como la constante de Planck, y v es la frecuencia asociada al fotón. Con estas ideas Bohr pudo explicar exitosamente los fenómenos conocidos como espectro de emisión y espectro de absorción del átomo de hidrógeno. El espectro de emisión consiste en una serie de líneas que se registraban en una placa fotográfica cuando se hace pasar una descarga eléctrica en el interior de un tubo conteniendo hidrógeno. Del tubo sale una luz que, cuando se descompone mediante un prisma y se hace incidir sobe una placa fotográfica, se registra como una serie de líneas. Estas líneas se conocen como líneas espectrales de emisión del átomo de hidrógeno. Similarmente, cuando se hace pasar luz blanca por un tubo que contiene hidrógeno gaseoso, la luz que sale después de pasar por el hidrógeno, se descompone mediante un prisma para posteriormente dirigirse hacia una película fotográfica. El espectro de absorción es la serie de líneas que se registran en esta 11 �Láser: 50 años / J. Rubén Morones Ibarra película. De estos resultados nació la espectroscopía, siendo la ecuación E2-E1=hv, conocida como fórmula de Bohr, la base de todo este campo que permite la caracterización de materiales. El modelo de Bohr, al relacionar el fenómeno de la emisión de luz con los saltos cuánticos de los electrones, ha sido considerado como uno de los más grandes descubrimientos en la historia de la física. Einstein lo calificó como un enorme logro, digno de admiración.2 El descubrimiento del fenómeno atómico de la luz dio lugar a otros avances científicos, como el logrado por Einstein quien encontró que la emisión de luz puede ser espontánea o estimulada. En el año de 1917, antes de que se desarrollara la mecánica cuántica, Einstein estudió la interacción de la luz con la materia y obtuvo un sorprendente resultado. Tomando las ideas de Bohr sobre la emisión y absorción de luz, Einstein encontró que si tenemos un átomo con dos estados de energías E1 y E2, y estando el electrón inicialmente en el estado excitado E2, iluminamos al átomo con luz de frecuencia v= E2 − E1 , h se produce el decaimiento del átomo al estado con energía E1 con la consecuente emisión de un fotón. El fotón incidente no es absorbido y por lo tanto, el resultado final es que se tienen dos fotones de la misma energía (misma frecuencia), y además se encuentran en fase. De un solo fotón inicial tenemos ahora dos; el fotón original y el producido en la transición del nivel de energía E2 al nivel E1. A este fenómeno se le conoce como emisión estimulada de radiación (figura 4). Fig. 3. Albert Einstein quién desarrollo la teoría sobre la emisión estimulada de radiación. 12 Fig. 4. Esquema del fenómeno de la emisión inducida o estimulada. Las consecuencias de la emisión estimulada de radiación son muy interesantes. Supongamos que tenemos un medio con una gran cantidad de átomos excitados en el nivel de energía E2, encerrados en una cavidad, y lo iluminamos con luz de la frecuencia apropiada v= E2 − E1 . Esto producirá emisión h estimulada de radiación. Puesto que los fotones iniciales no se absorben, esto producirá un efecto de cascada, donde el primer fotón producirá dos fotones por emisión estimulada, estos dos producirán cuatro, y así sucesivamente. El resultado final será una enorme cantidad de fotones con la misma frecuencia, todos en fase pero emitidos en direcciones aleatorias. Debido a la enorme velocidad de la luz, la emisión estimulada de todos estos fotones ocurre casi al mismo tiempo. Este proceso tiene un efecto de amplificación que es el fundamento del fenómeno láser, aunque todavía no es suficiente para generar el rayo láser.3 Los cálculos realizados por Einstein conducen a que los procesos de absorción de fotones al excitar un átomo del nivel de energía E1 al nivel E2 (figura 5) y el proceso inverso de emisión estimulada de un fotón al saltar un electrón del nivel de energía E2 al nivel E1, son igualmente probables. Por otro lado, cuando un sistema termodinámico (un sistema Fig. 5. Esquema del fenómeno de absorción de luz en un átomo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Láser: 50 años / J. Rubén Morones Ibarra con un número de átomos del orden del número de Avogadro) se encuentra en equilibrio térmico a temperatura ambiente, por ejemplo, la mayoría de los átomos se encuentra en su estado base. Por esta razón, si iluminamos el sistema, la absorción de luz es mucho mayor que la emisión. Para que se invierta el proceso necesitamos tener más átomos en el estado excitado que en el estado fundamental. Para conseguir el efecto LASER, (palabra formada con las iniciales de Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation) se requiere primeramente que tengamos a los átomos del medio con una población muy grande de átomos excitados en el nivel de energía E2. De hecho, para que se de el efecto láser, se requiere que el número de átomos en estado excitado sea mucho mayor que en el estado fundamental. Esto es lo que se conoce como inversión de la población. EL MÁSER El antecedente tecnológico del Láser es el llamado MASER, que es el acrónimo de Microwave Amplification by Stimulated Emision of Radiation. El Máser se desarrolló en la década de 1950 cuando los físicos se empezaron a interesar en producir radiación electromagnética coherente mediante oscilaciones moleculares. En el año de 1954 el científico norteamericano Charles Townes, en colaboración con otros científicos dio a conocer un extraordinario dispositivo donde se lograba la amplificación de microondas mediante el proceso de emisión estimulada de radiación. Este aparato al Fig. 6. Charles Hard Townes. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 que llamaron MASER, funcionaba con amoníaco donde se utilizan dos niveles de energía de esta molécula.4 El máser es un amplificador muy efectivo, mucho más que el transistor. Se aplica en el radar logrando aumentar su alcance por un factor de diez. También tiene importantes aplicaciones en astronomía, para amplificar las débiles señales de radiación de microondas provenientes de las estrellas. Al máser se hace llegar la débil radiación de microondas captada por un radiotelescopio. Esta radiación estimula las transiciones en el Máser produciendo el efecto amplificador que permite estudiar la radiación estelar en la región de microondas. La importancia que se le dio al Maser se refleja en el hecho de que al inventor, el científico Charles Townes le fue otorgado en 1964 el Premio Nóbel de Física por sus estudios sobre la teoría cuántica de la radiación que condujo a la construcción del Maser EL LÁSER El láser es un desarrollo de la más alta tecnología que solo pudo ser posible cuando se tuvo un conocimiento profundo de la estructura de la materia en su nivel atómico y el entendimiento de la naturaleza de la luz. Todo equipo láser contiene tres elementos esenciales: Un medio activo, que es la sustancia que emitirá la luz; una fuente de energía que excitará los átomos del medio activo y un resonador óptico que consiste en dos espejos paralelos. Las características de la luz láser son su coherencia, su monocromaticidad y su elevada direccionalidad. Una luz coherente es aquella donde las ondas o los fotones que la componen están en fase. Una luz monocromática está formada por ondas de la misma frecuencia, o, equivalentemente, fotones de la misma energía. Si además las crestas y valles de estas ondas coinciden, esto resultará en un haz muy intenso que transporta una elevada energía. Esta es la luz láser. El láser funciona mediante la excitación y la emisión de luz entre dos niveles específicos de energía del medio activo. El primer paso para lograr el efecto láser es producir un estado excitado de los átomos del elemento activo. A este proceso se le conoce como inversión de la población entre dos 13 �Láser: 50 años / J. Rubén Morones Ibarra Fig. 7. Diagrama esquemático de los elementos básicos de un equipo láser. niveles. Si tomamos como los niveles de energía los valores E1 y E2 con E2 > E1, decimos que hay una inversión de la población si el número de átomos en el estado de energía E2 es mayor que el número de átomos en el estado con energía E1. La función del resonador óptico se ilustra en la figura 7. Uno de los espejos es 100% reflejante, mientras que el otro tiene una capacidad reflejante de entre 90-95%. Los espejos en los extremos permiten que la luz se refleje hacia un lado y otro de la cavidad (hacia la derecha y hacia la izquierda). Este fenómeno es la base de la amplificación de la luz debido a que se logra que una gran cantidad de fotones permanezcan encerrados en la cavidad produciendo a su vez emisión estimulada de radiación.6 Si el espejo de la derecha tiene una capacidad reflejante de solo 95%, entonces el 5% de los fotones que incidan sobre él se escapará en la dirección del eje de la cavidad resonante. Este flujo de fotones que se escapan tiene la característica de ser altamente diseccionado, lo cual conduce a que se forme un haz de luz rectilíneo muy delgado. La luz láser es monocromática y coherente. Esto significa que todas las ondas tienen la misma frecuencia y además están todas en fase. También resulta que todos los fotones tienen la misma dirección. Es importante hacer notar que si no se tuvieran los espejos en los extremos, en el primer disparo de luz estimulada los átomos efectuarían una transición a su estado base emitiendo luz en diversas direcciones sin lograrse la amplificación buscada en el fenómeno láser. El funcionamiento continuo del láser y la amplificación se consiguen mediante la cavidad resonante, la cual mediante la reflexión múltiple logra un flujo muy grande de fotones que se convertirán en la luz láser al salir por el espejo parcialmente reflector. Al principio del funcionamiento del láser hay luz que se escapa por las paredes laterales de la cavidad en todas direcciones, pero aquellos fotones 14 que viajan en la dirección del eje de la cavidad cilíndrica se reflejan una y otra vez en los espejos intensificándose el haz de fotones en cada reflexión, para finalmente salir el rayo láser por el espejo semireflector. Como ya mencionamos, el antecedente del láser fue el máser. Siendo el máser de microondas y el láser de luz visible, aparatos que funcionan mediante el principio de emisión estimulada podemos decir que el láser es un máser en la región visible del espectro electromagnético. Tanto el láser como el máser son dispositivos cuyo principio de funcionamiento solo es explicable a través de la mecánica cuántica. TIPOS DE LÁSER En principio, cualquier sistema que puede actuar como fuente de radiación óptica resonante puede ser utilizado como medio activo para producir un láser. Como ya se ha dicho, lo que se requiere es desarrollar un método para invertir la población de los niveles cuánticos del medio activo para que exista una ganancia neta en la luz que se genera por emisión estimulada. Con esto se logra que el medio excitado produzca más fotones de los que absorbe. La clasificación de los láser se hace de acuerdo a alguna característica particular del medio activo. Así encontramos láser de estado sólido, láser de estado líquido y láser de gas. También se tienen láser de semiconductores. Por otra parte, atendiendo a su forma de operar se clasifican en láser pulsados y láser continuos. Un láser pulsado es aquel que emite pulsos o destellos de luz en forma discontinua. Por otra parte, como su nombre lo indica, un láser continuo emite luz continua. En cuanto al color del láser, este depende del medio activo donde se genera y los niveles energéticos entre los cuales se produce el decaimiento por emisión estimulada de la radiación. El láser de estado sólido aprovecha la estructura cristalina de estos materiales. De hecho, como ya se mencionó, el primer aparato láser fue construido con una varilla de rubí que producía pulsos de luz roja (figura 8). Este tipo de láser de luz intermitente o destellos, se conoce como láser pulsado. Este láser consistía en una barra de rubí de dos centímetros de largo y un centímetro de diámetro. La excitación o bombeo óptico se produjo mediante una descarga Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Láser: 50 años / J. Rubén Morones Ibarra Fig. 9. Esquema del fenómeno de emisión espontánea de luz. Fig. 8. Patente otorgada a T. H. Maiman en 1967 por el sistema láser de rubí. dirección. Con esto se consigue que en el haz láser se concentre una gran cantidad de energía. En la luz láser se logra una especie de cooperación mutua entre los átomos, teniendo como resultado un fenómeno colectivo de sincronización en la emisión de luz. eléctrica de arco que produce un efecto de flash, como en las cámaras fotográficas. Al poco tiempo, en el mismo año de 1960, se construyó un láser de gas que contenía una mezcla de helio y neón, identificado como láser de HeNe que producía un haz continuo.7 LUZ ORDINARIA Y LUZ LÁSER La diferencia entre la luz normal y la luz láser es fundamentalmente la coherencia. La luz ordinaria se produce mediante las transiciones de los electrones en los átomos ocurriendo estas en forma completamente independiente unas de otras. Por ejemplo, en el caso de una lámpara fluorescente, una cantidad muy grande de átomos del gas interior emiten al mismo tiempo o en forma sucesiva. La luz se emite en todas direcciones y contiene frecuencias en un rango muy amplio de valores. Este tipo de luz es incoherente o, usando una expresión más coloquial, es una luz desordenada. La luz ordinaria se produce mediante la emisión espontánea (figura 9) y los fotones se emiten en direcciones que son totalmente aleatorias, por eso se tiene una radiación no coherente. Por otra parte, la luz láser es una luz coherente, monocromática y altamente dirigida, es decir, concentrada en un delgado haz. Se consigue este tipo de luz cuando se produce la emisión de los átomos al mismo tiempo, mediante la transición entre dos estados atómicos determinados. Por otro lado, el resonador logra que todos los fotones salgan en la misma Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 Fig. 10. La fotografía muestra que el rayo de luz láser no se dispersa al pasar a través de un prisma. HOLOGRAFÍA Con la aparición del láser se desarrolló la holografía, una técnica nueva de producción de imágenes. La holografía es en sí un método para producir imágenes tridimensionales sin necesidad de usar lentes o sistemas ópticos empleados en la fotografía ordinaria. La característica principal de un holograma, como se llama la “fotografía” o imagen grabada con esta técnica, es que posee todas las características visuales del objeto original. De hecho, el inventor de la holografía, Dennos Gabor (19001981) la llamó así tomando la palabra griega holos, que significa totalidad, con la cual se transmite la idea principal de este método fotográfico, que es el registro completo del objeto con sus características tridimensionales. 15 �Láser: 50 años / J. Rubén Morones Ibarra un holograma. La gente quedaba fuertemente impresionada con este recibimiento. Fig. 11. Uno de los primeros hologramas donde se aprecia el carácter tridimensional de los mismos. En general la técnica para producir un holograma es un proceso complicado. Hay que iluminar el objeto con luz láser siguiendo una serie de pasos bien establecidos y no es tan simple como tomar una fotografía. La imagen holográfica se registra en una placa fotográfica o sobre una película de vidrio. Algo impresionante de un holograma es que al moverse el observador la imagen cambia de posición como si se estuviera viendo el objeto real. Dennis Gabor inventó la holografía en 1948, antes de la aparición del láser, sin embargo, el propósito fundamental de la holografía, solo se pudo conseguir con el láser. La holografía tiene una inmensa variedad de aplicaciones. Un holograma se debe ver iluminándolo con luz láser. Por el desarrollo de la holografía D. Gabor fue galardonado con el Premio Nóbel de Física en el año de 1971. Uno de los más espectaculares usos de la holografía es en el entretenimiento y en la magia. Con la holografía se puede crear una imagen de un ser humano o cualquier objeto, teniendo la apariencia de un objeto real. Cuando uno trata de tocarlo se da cuenta que no está el objeto ahí, resultando ser una especie de fantasma. De aquí resulta que los hologramas sean un recurso utilizado por los ilusionistas. Se dice que los magos famosos como David Copperfield usan hologramas para hacer sus trucos. Fue famosa una convención internacional de magos e ilusionistas en Las Vegas, donde a la entrada del centro de convenciones te recibía un mago que te tendía la mano para saludarte, pero era solamente 16 APLICACIONES DEL LÁSER Las aplicaciones del láser son muchas y muy variadas. Se le emplea en la ciencia, la industria, la medicina, la astronomía, la investigación, las comunicaciones, el arte, el entretenimiento, la industria militar, etc. Uno de los usos más comunes del láser lo encontramos en los aparatos reproductores de música y en los equipos de video. En las impresoras láser, en los apuntadores láser y como lectores ópticos que se utilizan en los supermercados para leer el código de barras colocado en el empaque de los productos, indicando el precio y alguna otra información que almacenan en un sistema de cómputo. La tecnología láser continúa desarrollándose, encontrándosele constantemente nuevas aplicaciones. El láser se utiliza también para realizar mediciones de precisión de grandes distancias. Con esto se ha logrado medir el movimiento de los continentes (la deriva continental), así como también distancias astronómicas. Hoy en día se puede medir con bastante precisión la distancia entre la Tierra y la Luna utilizando el láser. Los astronautas que pisaron la Luna, instalaron sobre su superficie un equipo de espejos reflectores. Desde un laboratorio en la Tierra se envía un pulso corto de láser a uno de estos espejos y se recibe el pulso reflejado. Conocida la velocidad de la luz y el tiempo de recorrido de ida y vuelta del pulso láser, se determina la distancia Tierra-Luna hasta una precisión de unos cuantos centímetros. EL LÁSER EN LA MEDICINA Las primeras aplicaciones del láser fueron en el campo de la medicina. Muy pronto los cirujanos se dieron cuenta de que este delgado haz de luz, que puede concentrar importantes cantidades de energía en una región tan pequeña como la punta de un alfiler, podría utilizarse como bisturí. Los oftalmólogos encontraron rápidamente que el problema del desprendimiento de retina, el cual es una causa frecuente de ceguera, podría tratarse con un láser. En este padecimiento el láser actúa como un instrumento para soldar. En la soldadura de retina mediante el láser, se realizan rápidos disparos de láser sobre la retina. Con esto se logra la unión de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Láser: 50 años / J. Rubén Morones Ibarra la retina y a la vez se logra que no haya sangrado ya que el láser cauteriza. Otra ventaja del láser es que no infecta las heridas o el tejido donde corta.8 El láser usado como bisturí presenta grandes ventajas. Entre ellas, la de ser estéril, ya que la luz es limpia, no contiene ningún tipo de microorganismos. Además de cortar los tejidos, el láser coagula o sella las partes donde corta, impidiendo que sangren. Actualmente, son incontables las cirugías con láser que se practican diariamente en el mundo y su uso abarca también la cirugía estética, empleándose también en tratamientos dermatológicos y depilación. EL LÁSER EN LA INDUSTRIA El láser se usa en la industria de la construcción en el trazo de túneles, por ejemplo, para asegurar un trazo completamente rectilíneo. Los láser de alta potencia se usan para soldar por puntos, o para realizar cortes en metales, en tela, vidrio y casi cualquier material. Con el láser también se efectúan perforaciones en piedras preciosas como el diamante o el rubí. Uno de los más prometedores usos del láser para el futuro y que actualmente está en investigación, es en los proyectos sobre fusión nuclear para generar energía. El método consiste en enviar intensos pulsos de láser hacia unas pequeñas esferas de deuterio y tritio y hacerlas estallar. Estas microexplosiones provocarán que se evapore la superficie de la esfera y cause una violenta fuerza de reacción que impulsa a las partículas del interior a comprimirse enormemente. Este fenómeno de compresión del material interno de la esfera causará que se produzcan elevadas temperaturas y densidades en este material, reproduciendo condiciones semejantes a las que se encuentran en las estrellas. Con esto se genera la fusión nuclear con el consecuente desprendimiento de energía. Este tipo de proyectos se están llevando a cabo en muchos laboratorios del mundo y constituye una de las mayores promesas en el campo de los energéticos.9 COMENTARIOS FINALES La tecnología para el diseño y la construcción de equipos láser está en su etapa madura. En la actualidad se construyen láser de muchos tipos: de bolsillo, para aparatos domésticos, industriales, médicos y científicos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 Los láser se han vuelto tan comunes en nuestra vida cotidiana que se les usa hasta en espectáculos de luz y sonido y también como instrumento de decoración. Aquí en la ciudad de Monterrey tenemos en la Macroplaza un láser instalado en la torre de comercio (Faro del Comercio), el cual emite una luz de color verde porque es de Argón. Hoy en día la ciencia y la tecnología láser dan soporte a una industria de miles de millones de dólares en el mundo. Se fabrican láser de una gran variedad de tipos y características, cuyas aplicaciones abarcan una inmensa gama de las actividades humanas. Entre ellas encontramos la industrial, la médica, la agrícola, científica, el arte y la recreación. En general, el láser ha resultado ser un extraordinario instrumento de utilidad en una gran variedad de las actividades humanas. La lista de aplicaciones es inmensa, por eso con razón se le ha llamado la “luz maravillosa”. Día con día, en todo el mundo, se realizan investigaciones con láser reportando nuevos descubrimientos. Seguramente pronto tendremos nuevas aplicaciones de la luz láser. REFERENCIAS 1. Halliday, D. and Resnick, R., Fundamental of Physics, Third edition, John Wiley and sons, 1988. 2. Mares, R., Albert Einstein, Grupo Editorial Tomo, 2005. 3. Griffiths, David, Introduction to Quantum Mechanics, Prentice Hall, 2004 4. Goswami, Amit, Quantum Mechanics, Second Edition, Waveland Press Inc., 2000. 5. Milonni, P. W., and Eberly, J., Laser Physics, Wiley, 2010 6. Hecht, Eugene, Optica, Tercera edición, Addison Wesley, 2000. 7. Rose, Belinda, Photonics Spectra, May, 2010, P 58. 8. Niemz, M. H., Laser-Tissue Interactions, Springer, 2007. 9. Hecht, Jeff, Understanding Laser, 3rd. Edition, IEEE Press, 2008. 17 �Síntesis de fotocatalizadores activos a la radiación visible y aplicación en película delgada Azael Martínez De la Cruz, Sergio A. Obregón Alfaro, Enrique M. López Cuéllar, Karen H. Lozano Rodríguez Posgrado de Materiales, FIME-UANL azael70@yahoo.com.mx RESUMEN Los molibdatos γ-Bi2MoO6 y α-Bi2Mo3O12 fueron sintetizados mediante la técnica de coprecipitación. Ambos óxidos fueron evaluados como fotocatalizadores en la degradación del colorante rodamina B. El óxido γ-Bi2MoO6 mostró la mayor actividad fotocatalítica con un 86 % de mineralización del contaminante después de 100h de irradiación con luz visible. Con el objetivo de acercarse a una aplicación tecnológica, fueron desarrolladas películas delgadas de γ-Bi2MoO6 mediante un proceso secuencial de evaporación/descomposición en un Sistema de Evaporación Térmica (TES). La película formada de 200 nm de espesor del óxido γ-Bi2MoO6 mostró actividad fotocatalítica para la degradación de rodamina B bajo radiación de luz visible. PALABRAS CLAVE Fotocatálisis heterogénea, γ-Bi2MoO6, α-Bi2Mo3O12, molibdatos, película delgada. ABSTRACT The molybdates γ-Bi2MoO6 and α-Bi2Mo3O12 were synthesized by coprecipitation technique. Both oxides were tested as photocatalysts in the degradation of the rhodamine B dye. The γ-Bi2MoO6 oxide showed the highest photocatalytic activity with a mineralization of 86 % of the dye after 100h of irradiation with visible light. In order to approach a technological application, thin films of γ-Bi2MoO6 were developed by a decomposition/evaporation sequential process in a Thermal Evaporation System (TES). The film thickness of 200 nm of the γ-Bi2MoO6 oxide showed photocatalytic activity for degradation of rhodamine B under visible light radiation. KEYWORDS Heterogeneous photocatalysis, γ-Bi2MoO6, α-Bi2Mo3O12, molybdates, thin films. INTRODUCCIÓN De entre los múltiples retos que como sociedad estamos enfrentando, el suministro de agua para actividades humanas ocupa un lugar preponderante. La actividad industrial demanda grandes cantidades de agua y frecuentemente 18 Artículo basado en el proyecto “Fotocatálisis heterogénea como herramienta tecnologica para la purificación de aguas residuales: caracterización fotocatalitíca de molibdatos de bismuto activos a la radiación visible y aplicación en película delgada”, por el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2010, en la categoría de Ingeniería y Tecnología, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 10 de septiembre de 2010. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Síntesis de fotocatalizadores activos a la radiación visible y aplicación en película delgada / Azael Martínez De la Cruz, et al. la desecha acompañada de sustancias tóxicas que afectan la flora y fauna acuáticas, dificultando su uso para actividades de riego y alejándola de una calidad cercana a la potabilidad. Lo anterior conlleva a la destinación de importantes recursos económicos y energéticos para la descontaminación y tratamiento de aguas residuales, descuidando así el apoyo a otras necesidades básicas de la población. La mayor dificultad en el tratamiento de dichas descargas es debida a la ineficiencia de los procesos físicos tales como coagulación y adsorción, dado que sólo transfieren los contaminantes del agua residual a otro medio provocando una polución secundaria.1 Estos mecanismos, además de resultar imprácticos, requieren etapas adicionales para la recuperación de los residuos y una posterior calcinación de los mismos con un consecuente aumento en los costos del proceso. La presente investigación pretende atacar un punto esencial para el desarrollo de la humanidad: el tratamiento de aguas residuales para preservar una alta calidad del medio ambiente. Hasta hace poco, bastaba que este proceso de purificación de agua fuera viable técnicamente, aplicable a gran escala y en gran medida, económico. Sin embargo, en tiempos modernos debemos incorporar la sustentabilidad del mismo a cualquier propuesta que pretenda atacar esta problemática. En este sentido, la fotocatálisis heterogénea cumple con todos estos requisitos para ser considerada como una tecnología de vanguardia acorde a los tiempos actuales. La sustentabilidad de la fotocatálisis heterogénea se basa en el empleo de óxidos semiconductores cerámicos (no tóxicos) y energía solar (energía gratuita). La fotocatálisis heterogénea es un proceso que se basa en utilizar un sólido semiconductor (normalmente de banda ancha) que es capaz de absorber directa o indirectamente energía radiante (visible o UV) igual o superior a su banda de energía prohibida. Cuando un fotón con esta energía incide sobre el semiconductor se promueve un electrón (e-) de la banda de valencia (BV) hacia la banda de conducción (BC), generándose un hueco (h+) en la primera banda. Los electrones que llegan a la banda de conducción pueden desplazarse dentro de la red del semiconductor. Asimismo, también se desplazan los lugares vacíos que han dejado en Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 la banda de valencia. Los electrones y los huecos fotogenerados pueden seguir diferentes caminos, como se muestra en la figura 1. La formación del par hueco-electrón y la migración de estas especies a la superficie del fotocatalizador, permite que se lleven a cabo reacciones de óxido-reducción en la superficie del fotocatalizador donde participan especies contaminantes adsorbidas. El presente trabajo de investigación busca contribuir al desarrollo del conocimiento científico del área y, más allá de experimentos modelo de laboratorio, dar un paso hacia la aplicación tecnológica en película delgada. Para esto, hemos propuesto los molibdatos γ-Bi2MoO6 y α-Bi2Mo3O12 como fotocatalizadores activos visibles para la degradación de colorantes orgánicos utilizados en industrias como la textil, de cosméticos, de alimentos y fármacos.2 En términos generales, la parte medular del trabajo está estructurada en 3 partes: una parte exploratoria para identificar la existencia de actividad fotocatalítica en los óxidos propuestos, una segunda donde se utilizan rutas alternas de síntesis de los óxidos con la finalidad de potenciar su actividad fotocatalítica y, una tercera donde se encamina el trabajo hacia una aplicación tecnológica mediante la deposición del fotocatalizador en forma de película delgada. Fig. 1. Esquema de la formación de pares huecoelectrón en un semiconductor por acción de radiación electromagnética y proceso de recombinación de cargas. 19 �Síntesis de fotocatalizadores activos a la radiación visible y aplicación en película delgada / Azael Martínez De la Cruz, et al. EXPERIMENTAL Preparación de polvos policristalinos Los óxidos γ-Bi2MoO6 y α-Bi2Mo3O12 fueron preparados por el método cerámico tradicional y mediante la técnica de coprecipitación. La síntesis por el método cerámico tradicional consistió en el pesado estequiométrico de los óxidos Bi2O3 y MoO3. Dichos óxidos fueron mezclados y homogeneizados en un mortero de ágata con ayuda de acetona. La mezcla fue transferida a un crisol de porcelana y calcinada a 550°C durante 96 horas para el caso de γBi2MoO6 y a 700°C por 24 horas para la preparación de α-Bi2Mo3O12. Por otro lado, la preparación de los óxidos por coprecipitación se llevó a cabo mediante la adición estequiométrica de una solución de Bi(NO3)3•5H2O a una segunda solución acuosa que contenía la cantidad estequiométrica de (NH4)6Mo7O24•4H2O para preparar el respectivo molibdato de bismuto. Durante el proceso de coprecipitación, el pH de las dispersiones resultantes fue ajustado con NH4OH a 3 y 9 para la síntesis de γ-Bi2MoO6 y α-Bi2Mo3O12, respectivamente. La dispersión resultante fue mantenida en un baño de agua a 70ºC favoreciendo una lenta evaporación del solvente, hasta la formación de sólidos, los cuales fueron usados como precursores de los molibdatos de bismuto. Los óxidos γ-Bi2MoO6 y α-Bi2Mo3O12 fueron obtenidos mediante la descomposición térmica de los precursores. La fase γ-Bi2MoO6 fue sintetizada mediante calcinación a 450°C con una velocidad de calentamiento de 5ºC•min-1, manteniendo la muestra a dicha temperatura durante 20 horas.3 Para el caso de α-Bi2Mo3O12, el precursor obtenido fue calcinado a 250, 300, 400 y 480°C con una velocidad de calentamiento de 5ºC•min-1, manteniendo las muestras a dichas temperaturas durante 20 horas. Preparación de película delgada El óxido γ-Bi 2MoO 6 fue seleccionado para estudiar su actividad fotocatalítica en película delgada. La película delgada del óxido γ-Bi2MoO6 fue preparada mediante evaporación térmica en condiciones de vacío. Para este propósito, polvos policristalinos del óxido obtenidos por el método cerámico tradicional fueron utilizados como reactivo de partida. La evaporación térmica de γ-Bi2MoO6 20 fue realizada en un Sistema de Evaporación Térmica (TES) Åmod 204 desarrollado por la compañía Angstrom Engineering. El óxido γ-Bi2MoO6 fue colocado en un crisol metálico que fue a su vez conectado en un circuito eléctrico del TES. La presión dentro de la cámara fue disminuida hasta 2x10-6 Torr. Con la finalidad de evitar una abrupta evaporación del óxido se utilizó una lenta velocidad de depósito del orden de 1.2 Ås-1. Caracterización y actividad fotocatalítica de muestras La caracterización de los molibdatos γ-Bi2MoO6 y α-Bi2Mo3O12; así como de la película delgada de γ-Bi2MoO6, fue llevada a cabo mediante las técnicas de difracción de rayos-X en polvo (DRX), microscopía electrónica de transmisión y barrido (TEM/SEM), espectroscopía de reflectancia difusa (DRS) e isotermas de adsorción-desorción de N2 (área BET). Como modelo de reacción fotocatalítica se utilizó la degradación del colorante orgánico rodamina B (rhB) en medio acuoso. Para este propósito se dispersó el fotocatalizador en forma de polvo en la solución del colorante. En el caso del experimento realizado con el fotocatalizador en forma de película delgada, se desarrolló un método para evaluar la actividad del fotocatalizador bajo estas condiciones experimentales.4 RESULTADOS Y DISCUSIONES Las muestras calcinadas fueron caracterizadas estructuralmente mediante difracción de rayos-X en polvo. Los difractogramas obtenidos mostraron la presencia de las fases γ-Bi2MoO6 y α-Bi2Mo3O12 sin ninguna impureza de acuerdo a las tarjetas JCPDS 084-0787 y 021-0103, respectivamente. En particular, la temperatura óptima de síntesis de γ-Bi2MoO6 fue ubicada en 450°C, mientras que en el caso de α-Bi2Mo3O12 fue posible la obtención del óxido en el intervalo de 250-480°C. La morfología del óxido γ-Bi2MoO6 fue observada mediante TEM y SEM, como se observa en la figura 2. De acuerdo al análisis realizado por TEM la muestra presentó una morfología irregular, observándose partículas de tamaño incluso superior a los 300 nm. Este fenómeno es común en materiales preparados por coprecipitación, dado que esta técnica no provee Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Síntesis de fotocatalizadores activos a la radiación visible y aplicación en película delgada / Azael Martínez De la Cruz, et al. Fig. 2. Morfología de γ-Bi2MoO6 preparado mediante coprecipitación: (a) TEM; (b) SEM. una formación controlada del material, conduciendo al crecimiento y agregación de las partículas. Asimismo, la caracterización morfológica de las distintas muestras de α-Bi2Mo3O12 calcinadas en el intervalo de 250-480°C se llevó a cabo mediante TEM. Cuando el precursor producto de la coprecipitación fue calcinado a 250°C, la fase α-Bi2Mo3O12 obtenida presentó una morfología homogénea de nanoplatos rectangulares cuyas dimensiones fueron de 50 nm de ancho y 200 nm de largo tal como observa en el inciso (a) de la figura 3. A temperaturas mayores de calcinación como fue 300°C, la morfología de las partículas comenzó a cambiar propiciando formas semiesféricas, sin embargo con el predominio de los platos rectangulares anteriormente descritos (inciso b). Fig. 3. Morfología por TEM de α-Bi2Mo3O12 preparada mediante coprecipitación y calcinada a (a) 250°C; (b) 300°C; (c) 400°C; (d) 480°C. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 La presencia de dichas partículas semiesféricas se mantuvo cuando la muestra fue calcinada a 400°C (inciso c) no observándose la presencia de los platos rectangulares. Cuando la muestra fue calcinada a 480°C se observó un cambio significativo en la morfología presentándose partículas elipsoides, producto del proceso natural de sinterización del óxido cerámico. Asimismo, se encontraron partículas aisladas con tamaños que oscilan entre 500 a 700 nm, indicando la existencia de un paso crítico de sinterización entre 400-480°C (inciso d). De acuerdo a los espectros de reflectancia difusa (DRS), se calcularon valores de Eg de 2.44 eV para el óxido γ-Bi2MoO6 obtenido por coprecipitación y de 2.51 eV para la muestra obtenida por el método cerámico tradicional. Con respecto a las distintas muestras de α-Bi2Mo3O12 obtenidas por la técnica de coprecipitación, éstas presentaron un marcado desplazamiento hacia longitudes de onda más cortas con respecto al material de referencia (700°C), véase figura 4. Dicho fenómeno, al igual que el caso de γBi2MoO6, puede ser asociado a pequeñas cantidades amorfas presentes en el material sintetizado como se ha descrito para otros óxidos.5 Del análisis de los datos obtenidos se estimaron valores de Eg de 2.74 eV (250ºC), 2.82 eV (300ºC), 2.79 eV (400ºC), 2.77 eV (480ºC) y de 2.45 eV para la muestra de referencia. El área superficial de las muestras preparadas por coprecipitación fue determinada mediante el método BET utilizando los valores obtenidos a partir de sus respectivas isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno. Los valores obtenidos de área superficial 21 �Síntesis de fotocatalizadores activos a la radiación visible y aplicación en película delgada / Azael Martínez De la Cruz, et al. Fig. 4. Espectroscopía de reflectancia difusa del óxido α-Bi 2Mo 3O 12 preparado mediante coprecipitación a diferentes temperaturas de calcinación. entran dentro de los valores típicos reportados para óxidos de metales de transición sintetizados por coprecipitación, los cuales son aproximadamente de un orden de magnitud mayor a los obtenidos con respecto al método de síntesis empleado como referencia. La actividad fotocatalítica del γ-Bi2MoO6 fue evaluada mediante la degradación del colorante orgánico rodamina B. A partir de los resultados obtenidos se calcularon las constantes cinéticas mediante el modelo de Langmuir-Hinshelwood para una reacción de primer orden. Se observó un notable descenso en el tiempo de vida media del colorante, desde 1386 minutos cuando se emplea el fotocatalizador sintetizado por estado sólido, hasta sólo 29.4 minutos para el caso donde se utilizó como fotocatalizador al molibdato sintetizado por coprecipitación. Es evidente que la actividad fotocatalítica del material de coprecipitación fue aproximadamente 47 veces mayor con respecto al material obtenido por el método cerámico tradicional. Dicha diferencia puede ser explicada de acuerdo a la síntesis del óxido: mientras el método cerámico tradicional proporciona un material altamente sinterizado y una baja área superficial, la técnica de coprecipitación provee un material con una mayor área superficial. Por otro lado, las muestras de α-Bi 2Mo 3O 12 obtenidas por coprecipitación presentaron una fuerte interacción con el colorante orgánico, lo que condujo a que un porcentaje importante de moléculas del colorante fueran adsorbidas en la superficie del fotocatalizador. Ante esta situación, fue necesario dar 22 un tratamiento experimental diferente con el fin de caracterizar debidamente la actividad fotocatalítica de α-Bi2Mo3O12. De acuerdo a esto, se realizaron experimentos a diferentes concentraciones iniciales del colorante en presencia del semiconductor, bajo condiciones de oscuridad, con el objetivo de evaluar el grado de adsorción en cada muestra calcinada, previo al estudio de su actividad fotocatalítica. Asimismo, se evaluó el efecto del pH en la adsorción de rodamina B a una concentración inicial de 5 mg•L-1 sobre la superficie de las muestras de la fase α-Bi 2Mo 3O 12, donde la mayor interacción fotocatalizador-colorante se presentó a valores de pH ~6.5, tal como se observa en la figura 5. Fig. 5. Variación en la adsorción de rodamina B sobre α-Bi2Mo3O12 en función del pH. La evolución de la concentración del colorante en presencia de la fase α-Bi2Mo3O12 bajo luz visible es observado en la figura 6. Como se puede observar en la figura, el proceso puede ser dividido en tres etapas distintas: (a) dispersión mediante ultrasonido del fotocatalizador en la solución del colorante, bajo condiciones de oscuridad; (b) establecimiento del equilibrio de adsorción-desorción en oscuridad y (c) degradación del colorante bajo luz visible. El equilibrio adsorción-desorción fue alcanzado durante los primeros quince minutos de contacto entre el fotocatalizador y la solución de rodamina B bajo oscuridad. En general, todas las muestras fueron capaces de degradar rhB, sin embargo, esto ocurrió a diferentes velocidades. La muestra calcinada a 250°C presentó el efecto más marcado, necesitando sólo 80 minutos de irradiación de luz visible para la completa desaparición del colorante, en comparación con aproximadamente Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Síntesis de fotocatalizadores activos a la radiación visible y aplicación en película delgada / Azael Martínez De la Cruz, et al. Fig. 6. Fotodegradación de rodamina B en presencia de α-Bi2Mo3O12 obtenido por coprecipitación. Fig. 7. Imagen tomada por TEM de partículas depositadas sobre rejilla de Cu. 240 minutos que necesitó la muestra calcinada a 480°C para llegar al mismo punto. Con el fin de determinar el grado de mineralización de rhB por acción de los molibdatos propuestos, se realizaron experimentos para determinar el grado de carbón orgánico total (TOC) de muestras con distintos tiempos de irradiación de luz visible. Especial énfasis se puso en el uso de γ-Bi2MoO6 como fotocatalizador ya que éste presentó una mejor actividad fotocatalítica que α-Bi2Mo3O12, además de no presentar un fenómeno de adsorción de colorante considerable como para dificultar la interpretación de resultados. De acuerdo a los resultados obtenidos, el grado de mineralización del colorante fue alrededor de 86% a 100 horas de irradiación de luz visible. Estos valores nos dan la certeza que ocurre la mineralización de rodamina B utilizando el semiconductor γ-Bi2MoO6. Para la deposición de película delgada se eligió al fotocatalizador γ-Bi2MoO6 dada su mayor actividad fotocatalítica con respecto α-Bi2Mo3O12. El depósito del molibdato γ-Bi 2MoO 6 se realizó colocando rejillas de cobre y placas de vidrio dentro del sistema de evaporación térmica. En particular, la recolección de partículas sobre una rejilla de cobre tuvo el propósito de conocer su naturaleza y morfología mediante microscopía electrónica de transmisión y barrido. La figura 7 muestra una micrografía por TEM de las partículas depositadas sobre una rejilla de Cu con película de Fomvar. En la imagen se pueden observar partículas redondas de entre 12 y 17 nm de diámetro así como la presencia de nanopartículas con un diámetro alrededor de 3 nm. Al realizar una difracción de electrones en toda la imagen, se obtiene un patrón de difracción en forma de anillos, véase la figura 8(a). Una difracción de esta forma indica que existen cristales (en este caso nanopartículas) que son mucho más pequeñas que el diámetro del haz con el que se realiza la difracción. Además, estos anillos pudieron ser indexados con los planos (110) y (211) de la estructura bcc del Mo. Cuando el diámetro del haz fue reducido a 5 nm para alcanzar condiciones de nanodifracción, un patrón de spots, como el que se muestra en la figura 8(b) fue obtenido. Esta prueba de nanodifracción fue dirigida sobre la partícula que se encuentra en el centro de la imagen con la finalidad de obtener su estructura cristalina, pero como se puede apreciar, durante la prueba posiblemente se alcanza el dominio de otro cristal ya que se aprecia una difracción con una segunda orientación. La indexación de estos spots Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 Fig. 8. Difracción de electrones de partículas depositadas sobre rejilla de Cu. 23 �Síntesis de fotocatalizadores activos a la radiación visible y aplicación en película delgada / Azael Martínez De la Cruz, et al. correspondió a los planos de la estructura hexagonal del Bi. De acuerdo a lo anterior, el análisis por TEM indica que la evaporación de γ-Bi2MoO6 dentro de la cámara es acompañada por una descomposición en sus correspondientes elementos metálicos, tal como puede ser descrito por la siguiente ecuación: P ≈0 → 2 B io( g ) + M oo( g ) + 3 02 ( g ) γ- B i 2M o O 6 ⎯⎯⎯ Transcurrido este proceso, las nanopartículas de ambos elementos se depositan en el sustrato en su forma metálica. De acuerdo a la difracción de electrones, las nanopartículas de mayor dimensión corresponden al Bi, mientras que las de Mo son más pequeñas con apariencia de puntos discretos. La figura 9(b) muestra la apariencia física de la película depositada en el sustrato de vidrio. La película mostró una coloración negra de aspecto metálico, lo que está en concordancia con los resultados obtenidos por TEM que indican la presencia de un depósito metálico. La película fue tratada térmicamente a 550ºC por 4 h en aire con el propósito de formar el molibdato γ-Bi2MoO6 por captura de oxígeno atmosférico. El resultado de este proceso fue un remarcado cambio en la coloración de la película, de negro a amarillo pálido, véase la figura 9(c). El color desarrollado por la película es similar al color característico de γ-Bi 2MoO 6 en forma policristalina. Para fines comparativos, se incluye en la figura 9(a) la apariencia física del sustrato de vidrio sin depósito de material. La formación de Fig. 9. Sustrato de vidrio utilizado para el depósito de película mediante evaporación térmica de γ-Bi2MoO6. 24 γ-Bi2MoO6 por tratamiento térmico fue confirmada por difracción de rayos-X. La actividad fotocatalítica de la película delgada de γ-Bi2MoO6 fue evaluada mediante la degradación de una película de rhB depositada sobre la superficie del fotocatalizador. Para este fin, se depositó rhB en forma de película sobre la superficie del fotocatalizador. La figura 10 muestra la evolución temporal de la coloración de la película de rhB depositada sobre la película de fotocatalizador cuando ésta fue expuesta a la fuente de radiación visible. Fig. 10. Evolución temporal de la coloración de una película de rhB bajo irradiación de luz visible sobre la superficie del fotocatalizador. Como puede observarse en la figura anterior, el color de la rhB experimenta un importante descenso en su intensidad en 2h de exposición a la radiación visible y prácticamente se alcanza una decoloración total luego de 6h. Un experimento similar fue realizado en ausencia de la película del fotocatalizador a manera de referencia. La figura 11 muestra para este caso un blanqueamiento lento de la película de rhB debido a un proceso de fotólisis del colorante. No obstante, el color rosa característico de la rhB permaneció aún después de 32h de exposición a la radiación visible. Lo anterior indica que es necesaria la combinación fotocatalizador/radiación visible para eliminar al colorante orgánico. Este hecho es de notable relevancia desde un punto de vista práctico. El hecho de tener un sistema para purificar agua basado en el uso de una película de fotocatalizador permitirá eliminar el costoso proceso de remoción del mismo una vez transcurrido el proceso de eliminación de contaminantes. Puesto qué, en parte, la actividad fotocatalítica del óxido está en función de su tamaño de partícula, su separación del medio acuoso representa un reto mayor. Más aún, el hecho de obtener un fotocatalizador en forma Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Síntesis de fotocatalizadores activos a la radiación visible y aplicación en película delgada / Azael Martínez De la Cruz, et al. estudiado, el óxido α-Bi2Mo3O12. Los resultados mostraron una retención de la actividad fotocatalítica del γ-Bi2MoO6 cuando éste fue depositado en forma de película en un sustrato de vidrio. Por otro lado, dado que la actividad de un fotocatalizador está en función de su tamaño de partícula, su separación del medio acuoso representa un reto mayor, es por ello que el hecho de obtener un fotocatalizador en forma de película permite su fácil recuperación lo que facilita su aplicación no sólo en medio acuoso, sino también para sistemas de purificación de aire para la eliminación de NOx y compuestos orgánicos volátiles. Fig. 11. Evolución temporal de la coloración de una película de rhB bajo irradiación de luz visible sobre un sustrato de vidrio. de película permite su aplicación no sólo en medio acuoso, sino también para sistemas de purificación de aire para la eliminación de NOx y compuestos orgánicos volátiles. CONCLUSIONES El presente trabajo comprende un exhaustivo estudio sobre la actividad fotocatalítica de molibdatos de bismuto para la eliminación de contaminantes orgánicos en medio acuoso por acción de irradiación con luz visible. Esto es, desde una exploración del diagrama de fases Bi2O3-MoO3 para la elección de las fases a probar en función de sus propiedades físicas, la detección de actividad fotocatalítica en los mismos, pasando por una potenciación de dicha actividad por la preparación de los óxidos por rutas alternas de síntesis; hasta la aplicación del mejor fotocatalizador en forma de película delgada con miras a una aplicación tecnológica a mediano plazo. Todo esto teniendo como objetivo el contribuir al desarrollo del conocimiento científico del área y de igual manera dar un paso hacia la aplicación tecnológica de películas delgadas fotocatalíticamente activas. Para la formación de las películas delgadas, se eligió al fotocatalizador γ-Bi2MoO6 dada su mayor actividad fotocatalítica con respecto al otro molibdato Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 AGRADECIMIENTOS Agradecemos al CONACYT por su apoyo a este trabajo de investigación a través del proyecto 81546 y a la UANL por el apoyo del proyecto PAICYT 2008. REFERENCIAS 1. D.S. Kim, Y. S. Park, Photocatalytic decolorization of rhodamine B by immobilized TiO 2 onto silicone sealant, Chemical Engineering Journal 116 (2006) 133-137. 2. A. Martínez-de la Cruz, S. Obregón Alfaro, Synthesis and characterization of γ-Bi2MoO6 prepared by co-precipitation: photoassisted degradation of organic dyes under Vis-irradiation, J. Mol. Catal. A: Chem. 320 (2010) 85-91. 3. J.C. Jung, H. Kim, A.S. Choi, Y.M. Chung, T.J.Kim, S.J. Lee, S.H. Oh, I.K. Song, Effect of pH in the preparation of γ-Bi2MoO6 for oxidative dehydrogenation of n-butene to 1,3-butadiene: Correlation between catalytic performance and oxygen mobility of γ-Bi2MoO6, Catalysis Communications 8 (2007) 625-628. 4. E. López Cuéllar, A. Martínez-de la Cruz, K.H. Lozano Rodríguez, U. Ortíz Méndez,Preparation of γ-Bi2MoO6 thin films by thermal evaporation deposition and characterization for photocatalytic applications, Catalysis Today (2010), doi:10.1016/ j.cattod.2010.05.005. 5. B. Ohtani. Preparing Articles on PhotocatalysisBeyond the Illusions, Misconceptions, and Speculation, Catalysis Letters 37 (2008) 217-229. 25 �Semiconductores tipo perovskita en procesos fotoinducidos para la purificación de agua Leticia M. Torres-Martínez, Isaías Juárez Ramírez, Xiomara L. García Montelongo Departamento de Ecomateriales y Energía de la Facultad de Ingeniería Civil, Instituto de Ingeniería Civil, UANL lettorresg@yahoo.com RESUMEN En este trabajo se presenta la evaluación de las propiedades fotocatalíticas de semiconductores del tipo perovskita simple, ABO3 y doble laminar, A2M2O7: NaTaO3, NaTaO3:A (A = La, Sm), y Sr2M2O7 (M = Ta, Nb), respectivamente, y su desempeño en procesos fotoinducidos para la purificación del agua. Estos materiales fueron preparados mediante el método sol-gel y reacción en estado sólido y empleados como fotocatalizadores para la degradación de azul de metileno, cristal violeta y rojo alizarín S, contaminantes que se encuentran comúnmente presentes en el agua residual. La perovskita simple NaTaO3:Sm mostró la mejor actividad para la degradación de azul de metileno, mientras que la perovskita doble laminar, Sr2Ta2O7, lo fue para degradar tanto el cristal violeta como el rojo alizarín S. La actividad de la perovskita doble, Sr2Ta2O7, fue mayor que la mostrada por la titania P25 Degussa en la degradación de cristal violeta. La actividad fotocatalítica de estos semicondutores se vio favorecida bajo irradiación de luz UV debido a que mostraron valores de Eg cercanos a 4.0 eV. PALABRAS CLAVE Sol-gel; Perovskita simple; Perovskita doble; NaTaO3; Sr2M2O7 (M = Ta, Nb). ABSTRACT This work presents the evaluation of the photocatalytic properties of semiconductor materials type single and double layered perovskite oxides, ABO3 and A2M2O7: NaTaO3, NaTaO3:A (A = La, Sm), and Sr2M2O7 (M = Ta, Nb), respectively, in photoinduced processes for water purification. These materials were prepared by sol-gel and solid state reaction methods and employed as photocatalyst for the degradation of Methylene Blue, Crystal Violet and Alizarin Red S, pollutants commonly present in wastewater. NaTaO3:Sm single perovskite showed the highest activity for Methylene Blue degradation, whereas double layered perovskite, Sr2Ta2O7 showed highest activity for Crystal Violet and Alizarin Red S degradation. Activity of the double perovskite, Sr2Ta2O7, was higher than that showed by TiO2 P25 Degussa for Crystal Violet degradation. Photocatalytic activity of the semiconductors studied in this work was favored under UV irradiation because these materials showed Eg values near to 4.0 eV. KEYWORDS Sol-gel; Single perovskite; double layered perovskite; NaTaO3; Sr2M2O7 (M = Ta, Nb). 26 Artículo basado en el proyecto “Desarrollo de semiconductores con estructura tipo Perovskita para purificar el agua mediante tecnologías de oxidación avanzada”, por el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2010, en la categoría de Ciencias Exactas, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 10 de septiembre de 2010. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Semiconductores tipo perovskita en procesos fotoinducidos para la purificación de agua / Leticia M. Torres-Martínez, et al. INTRODUCCIÓN La limpieza del medio ambiente y la generación de energía renovable son dos de los temas fundamentales que requieren de especial atención hoy en día. Por tal motivo, las investigaciones realizadas en relación a la descontaminación del agua buscan utilizar tecnologías avanzadas que logren complementar el trabajo de limpieza que ofrecen las técnicas tradicionales. Una de las tecnologías avanzadas que ofrece ventajas físico-químicas significativas frente a otras es la llamada tecnología de fotocatálisis heterogénea. Esta tecnología fundamenta su operación en el empleo de un material semiconductor que será activado por una cierta cantidad de energía, luz UV o visible, lo que se conoce como proceso fotoinducido. Esto da como resultado la generación de intermediarios muy reactivos, de alto potencial oxidante o reductor, los cuales atacarán, mediante diversos mecanismos de reacción, a los compuestos orgánicos recalcitrantes, incluso es capaz de llevar a cabo la reducción de metales pesados tóxicos como son los que están presentes en compuestos de cromo, arsénico, y cadmio, entre otros. En este tipo de procesos fotoinducidos el material semiconductor juega un papel esencial, por lo que, el desarrollo de nuevos óxidos semiconductores con características fisicoquímicas y estructurales superiores a las que presenta el TiO2 (fotocatalizador comercialmente más utilizado), es objetivo de la mayoría de las investigaciones actuales sobre el tema. Es un hecho que en la actualidad se están desarrollando más y mejores materiales, basados en el entendimiento completo de las características fisicoquímicas de los mismos, la microestructura y el desempeño de éstos en los procesos fotoinducidos tanto para purificación del agua, como en la producción de hidrógeno como fuente alterna de energía. Por otro lado, también se busca establecer relaciones de las variaciones cristaloquímicas dentro de una familia de materiales con su actividad fotocatalítica. Es por ello que en la actualidad el desarrollo de los nuevos materiales depende principalmente de la aplicación a la que vaya a ser sometido. En este sentido, en los procesos fotoinducidos, específicamente en la fotocatálisis heterogénea se han venido incrementando el número de publicaciones al respecto, destacando el empleo de materiales alternos al TiO2, dentro de los cuales se Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 pueden mencionar los siguientes: SrTiO3, Sr2Ta2O7, Sr2Nb2O7, Cs2Nb4O11, NaNbO3, NaTaO3, NaTaO3: La, WO3, Sm2InTaO7, K4Nb6O17, Na2Ti6O13, BaTi4O9, Ba 5Nb 4O 15, y K 2La 2Ti 3O 10, los cuales han sido probados en procesos fotoinducidos para la reacción de descomposición del agua1-12 y en reacciones de degradación de compuestos orgánicos.13-25 En particular, los semiconductores con estructura tipo perovskita simple ABO3, y doble laminar, A2M2O7, han llamado considerablemente la atención debido a sus características estructurales, que les permiten incluso incorporar iones dentro de su estructura, generando con ello un incremento considerable de sus propiedades fotocatalíticas.1,3,5,26-29 La mayoría de los reportes acerca de estos semiconductores hacen referencia a que han sido preparados mediante reacción en estado sólido, debido a la necesidad de altas temperaturas que favorezcan la formación de dichas estructuras cristalinas. Sin embargo, esta situación ha provocado que sus propiedades texturales se vean afectadas y consecuentemente su actividad fotocatalítica disminuye. En años recientes se ha trabajado en la síntesis de estos materiales empleando diversos métodos alternos a la reacción en estado sólido, con la finalidad de incrementar su desempeño fotocatalítico mediante la mejora de sus características texturales. Por ejemplo, el NaTaO3 y NaTaO3:A (La y Sm) han sido obtenidos por sol-gel,18-20 microondas,9 electrohilado,22 hidrotermal7,14,25 y solvotermal.26 Mientras que el Sr2Ta2O7 ha sido preparado por el método de polimerización compleja27 y el método hidrotermal.28 Adicional a los cambios que genera el empleo de una ruta de síntesis alterna a la reacción en estado sólido, también se ha reportado que Estructura tipo perosvskita. 27 �Semiconductores tipo perovskita en procesos fotoinducidos para la purificación de agua / Leticia M. Torres-Martínez, et al. cuando el ángulo de enlace O-M-O es cercano a 180° se presenta una alta energía de excitación que permite una mayor movilidad del par hueco-electrón generado, evitando con ello su recombinación y mejorando su actividad fotocatalítica.2,26,29-32 Una de las principales aplicaciones que se le ha dado a los materiales anteriormente mencionados es en la generación de hidrógeno a partir de la descomposición del agua, sin embargo, dadas las modificaciones que pueden ser realizadas al variar los métodos de síntesis, el campo de uso puede ser amplio, desde la eliminación de herbicidas, pesticidas, fármacos, hasta la oxidación de colorantes orgánicos mediante procesos fotoinducidos. En particular, los colorantes y las pinturas son parte de los principales contaminantes presentes en los efluentes industriales, por lo que la eliminación del color del agua residual de textiles ha sido objeto de estudio por la potencial toxicidad de los colorantes y por los grandes problemas de visibilidad que se pueden presentar.33 La mayoría de los colorantes son compuestos orgánicos o metal-orgánicos, cuya estructura está formada principalmente por grupos de anillos aromáticos, lo que en ocasiones hace más complicada su eliminación mediante los tratamientos convencionales. En el presente trabajo se presentan los resultados obtenidos de la preparación tanto por el método solgel como por reacción en estado sólido, de óxidos semiconductores con estructura tipo perovskita simple, ABO 3 y doble, A 2M 2O 7, como son el NaTaO3, NaTaO3:A (A = La, Sm) y Sr2M2O7 (M = Ta, Nb), respectivamente. Estos óxidos comúnmente estudiados en la reacción de conversión de agua en hidrógeno, mostraron la capacidad de degradar contaminantes orgánicos presentes comúnmente en agua residual, como son el Azul de Metileno, Cristal Violeta y Rojo Alizarín S, a partir de una reacción de óxido–reducción llevada a cabo bajo la acción de luz UV. El seguimiento de estas reacciones se llevó a cabo por la técnica de espectrofotometría de UV-Vis. EXPERIMENTAL Síntesis por Sol-Gel La perovskita simple, NaTaO3 y NaTaO3:A (La y Sm), se sintetizó a partir de etóxido de tántalo, Ta(OC2H5)5 (Aldrich 99.98%), etanol (DEQ 99.8%) y acetato de sodio, Na(CH3CO2) (Aldrich 99.7%). 28 Mientras que para la síntesis de los materiales dopados se utilizaron soluciones de acetato de lantano, La(CH3CO2)3 (Aldrich 99.9%) y acetato de samario, Sm(CH3CO2)3 (99.9%), en proporción 1% molar. La perovskita doble laminar, Sr2M2O7 (M = Ta, Nb), se preparó tomando como precursores isopropóxido de estroncio, Sr[OCH(CH3)2]2 (Aldrich, 99.9%), o acetato de estroncio, Sr(C2H3O2)2 (Aldrich, 97%), agua desionizada y/o etilenglicol como disolvente, y etóxido de tántalo, Ta(OC2H5)5 (Aldrich, 99.98%) y Nb(OC2H5)5 (Aldrich, 99.95%). En general, los semiconductores preparados por el método sol-gel se dejaron reaccionando durante un lapso comprendido entre 4 y 7 días a una temperatura constante de 70°C bajo agitación vigorosa. Posterior a este periodo, los productos permanecieron en maduración de 24 a 36 horas. Los geles obtenidos se colocaron en una estufa a una temperatura de 70°C durante 48 horas, para posteriormente ser tratados térmicamente en un rango de temperaturas entre 400 y 1000°C por al menos 4 horas. SÍNTESIS POR REACCIÓN EN ESTADO SÓLIDO El NaTaO3 se obtuvo al mezclar carbonato de sodio, Na2CO3 (Aldrich 99%) y óxido de tántalo, Ta2O5 (Aldrich 99%). Mientras que el NaTaO3:A (A = La y Sm) se obtuvieron agregando a la mezcla anterior óxido de lantano, La2O3 (Aldrich 99.999%) u óxido de samario, Sm 2O 3 (Aldrich 99.99%). Los materiales se calcinaron a 850°C por 3 horas, después de este tiempo, se molieron y se sometieron nuevamente a la misma temperatura por 12 horas. Para la perovskita doble laminar, se partió de carbonato de estroncio, SrCO3 (Aldrich, 99.9%) y óxido de tántalo o niobio, Ta2O5 (Aldrich, 99.99%) ó Nb2O5 (Aldrich, 99.9%). Después de realizar la homogenización de los precursores, se prepararon pastillas, las cuales fueron sometidas a diferentes temperaturas (800-1030°C) y tiempos de reacción (12-24 h). CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL Y FISICOQUÍMICA Los materiales sintetizados fueron caracterizados mediante Difracción de Rayos-X en polvos (DRX), Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Semiconductores tipo perovskita en procesos fotoinducidos para la purificación de agua / Leticia M. Torres-Martínez, et al. Microscopía Electrónica de Transmisión (MET), Espectroscopía de Infrarrojo (IR), Análisis Térmico (ATD/ATG), Análisis Textural (Fisisorción de N2) y Espectrofotometría de Ultravioleta-Visible (UVVis). PRUEBAS DE DESEMPEÑO FOTOCATALÍTICO Las pruebas fotocatalíticas de degradación de los compuestos orgánicos se llevaron a cabo en un reactor tipo batch equipado con una lámpara de radiación monocromática, la cual opera en una longitud de onda de 254 nm y con una intensidad de 2000 μW.cm-2. Previa a cada reacción fotocatalítica se realizaron pruebas de adsorción, en donde únicamente se colocaron el material y la solución de trabajo, sin el empleo de radiación. Para todos los colorantes se empleó una relación 1:1 y se utilizaron soluciones de concentración conocida, de la cual cada determinado tiempo se tomaron alícuotas de la solución expuesta a la luz UV y se analizaron en el espectrofotómetro de UV-Vis, monitoreando el cambio en la longitud de onda de máxima absorción para cada solución problema. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Difracción de rayos-X Mediante el análisis de difracción de rayos-X fue posible corroborar la estructura cristalina de las perovskitas simple y doble laminar, NaTaO3 y NaTaO3:A (La y Sm), y Sr2M2O7 (M = Ta, Nb), respectivamente. En la figura 1 se muestra el patrón de DRX de la perovskita simple, NaTaO3:A (A = La y Sm), las Fig. 1. Patrones de DRX de los tantalatos de sodio a) NaTaO3:La, y b) NaTaO3:Sm. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 cuales presentan una considerable cristalización de la fase principal, NaTaO3, de acuerdo a la base de datos (JCPDF 73-0878),34 dicha cristalización se completa a la temperatura de 800ºC. La presencia de los dos lantánidos, en el caso de los materiales dopados no se logró apreciar mediante esta técnica por lo que se considera que se obtuvieron materiales completamente puros. Sin embargo en ambos casos se encontró que estos metales de transición retardan la cristalización de la fase principal y en algunos casos favorecen la formación de una fase secundaria, la Na2Ta4O11, la cual aparece en una proporción menor al 5%. Estas tendencias son similares a resultados que previamente habían sido reportados por Torres-Martínez et al.18 Con la finalidad de corroborar la estructura cristalina de los materiales dopados, se decidió llevar a cabo el refinamiento de sus parámetros de celda por el método Rietveld (DRX) utilizando el programa Topas RTM, ver figura 2. Para este cálculo se tomaron como base los datos reportados para la perovskita simple, NaTaO3, en su fase ortorrómbica, Pcmn, a = 5.5213 Å, b = 7.7952 Å, c = 5.4842 Å, y Vol = 236.04 [JCPDF 73-0878].34 De acuerdo a los resultados obtenidos del refinamiento, se encontró que los parámetros de celda del NaTaO3 dopado con La ó Sm por cualquiera de las rutas de síntesis son más pequeños que los parámetros del NaTaO3 preparado por estado sólido. Aunque las variaciones pueden ser asociadas con cambios en la estequiometría final, pues todas las muestras presentaron diferente contenido de sodio al inicial, no fue posible concluir si el dopante, La ó Sm, se incorporó en la estructura de la perovskita formando una solución sólida. Por otra parte, en la figura 3 se muestran los patrones de DRX del tantalato de estroncio, Sr2Ta2O7, preparado Fig. 2. Refinamiento por el método Rietveld del material NaTaO3: La. 29 �Semiconductores tipo perovskita en procesos fotoinducidos para la purificación de agua / Leticia M. Torres-Martínez, et al. por el método sol-gel y reacción en estado sólido. Es evidente la obtención de la fase ortorrómbica Sr2Ta2O7 (JCPDF 30-1304)34 mediante ambos métodos, a una temperatura de 850ºC para el método de química suave y a 1030ºC para la reacción en estado sólido. En el caso de los niobiatos preparados por el método sol-gel, aún y cuando a 900°C se logró obtener la fase deseada, en el patrón de DRX aún se observan algunos picos que no lograron ser identificados ni como fase binaria del sistema ni como productos que se hayan generado a partir de los precursores que se emplearon para realizar la síntesis. a 5 micras. La presencia de Sm y La fue detectada por el microanálisis de EDS (véase figura 4). En el caso de los tantalatos de estroncio se logró apreciar una homogeneidad en las morfologías de los materiales preparados por sol-gel con acetato de estroncio y por reacción en estado sólido (véase figura 4). Se pueden apreciar aglomerados de partículas semiesféricas con tamaños promedios de 0.5 μm. Cuando el Sr2Ta2O7 se preparó con isopropóxido de estroncio fue posible apreciar partículas alargadas en forma de fibras de 0.5 μm en promedio. En las micrografías correspondientes al Sr2Ta2O7 sintetizado con etilenglicol es notable la diferencia de morfologías con el resto de las imágenes; aquí se observan partículas en forma de láminas con tamaños variables, las cuales tienden a agruparse y formar una serie de capas, formando cúmulos de fibras de aproximadamente 0.5 μm. Por otro lado, el niobiato de estroncio se obtuvo mediante Fig. 3. Patrón de difracción de rayos-X de la perovskita doble laminar: a) Sr2Ta2O7-SG y b) Sr2Ta2O7-ES. Por otro lado, al llevar a cabo la obtención de esta fase por estado sólido, no se presentó ningún problema ya que bajo condiciones similares de síntesis las señales características de cada una de las fases son altamente cristalinas y coinciden con su respectivo patrón de DRX reportado.34 Para la reacción en estado sólido se logró disminuir la temperatura y el tiempo, 147°C y 188 h., para la síntesis de Sr2Ta2O7, y 67°C y 138 h., para la síntesis de Sr2Nb2O7, con respecto a lo reportado en literatura.35 Microscopía electrónica de barrido El análisis por MEB de los óxidos simples preparados por el método sol-gel reveló la presencia de materiales en forma de nanopartículas, además de observar cierta tendencia a formar aglomerados, algunos de ellos de forma esférica menores a 1 micra. De acuerdo a lo observado en la figura 4, la presencia del dopante, en el semiconductor NaTaO3: La preparado por sol-gel y calcinado a 600°C, favoreció la formación de nanopartículas de menor tamaño con respecto al NaTaO3. Mientras que en los óxidos preparados por estado sólido el tamaño de las partículas fue mayor a 1 micra y en algunos casos se observaron partículas sinterizadas de tamaño mayor 30 Fig. 4. Micrografías de a) NaTaO3: La-SG a 600ºC, b) NaTaO3: La-ES a 850ºC, c) Sr2Ta2O7-SG-ISO a 850ºC y d) Sr2Ta2O7-ES a 1030ºC. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Semiconductores tipo perovskita en procesos fotoinducidos para la purificación de agua / Leticia M. Torres-Martínez, et al. la síntesis con etilenglicol a manera de partículas alargadas con tamaños menores que los 0.5 μm. Para el Sr2Nb2O7 sintetizado por reacción en estado sólido se observaron partículas mayores a 0.5 μm. Microscopía electrónica de transmisión Con la finalidad de corroborar el tamaño nanométrico de las partículas de los óxidos estudiados en este trabajo, se llevó a cabo el análisis por microscopía electrónica de transmisión (MET). En la figura 5 se muestra la imagen correspondiente a la perovskita simple, NaTaO3:A (A = La y Sm), preparada por el método sol-gel y calcinada a 600°C. En la imagen podemos observar la presencia de aglomerados formados por pequeños cubos de tamaño menor a 50 nm. Lo anterior es una evidencia de que mediante el método sol-gel es posible la preparación de óxidos semiconductores con tamaño de partícula en escala nanométrica, lo cual se traduce Fig. 5. Micrografía del análisis por MET de a) NaTaO3:Sm y b) NaTaO3:La, óxidos preparados por sol-gel y calcinados a 600°C. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 en materiales con áreas específicas grandes, lo que puede favorecer el desempeño fotocatalítico de estos materiales en reacciones de degradación de contaminantes orgánicos o en la producción de hidrógeno como fuente alterna de energía. Análisis térmico y análisis de infrarrojo Tanto el análisis térmico como el análisis por infrarrojo realizado a cada una de las muestras frescas de los óxidos preparados por sol-gel, arrojaron la evidencia de la eliminación del agua, eliminación de solventes, la combustión de la materia orgánica residual del proceso de síntesis empleado, y la cristalización de las fases presentes (no mostrados aquí). Cada uno de los picos y bandas detectadas en los análisis fueron asociados con los eventos anteriormente mencionados. Ambos análisis sirvieron para complementar la información de la caracterización estructural de cada una de las perovskitas, simple y doble laminar, sintetizadas en el presente trabajo. Análisis de área superficial y determinación de energía de banda prohibida La caracterización físicoquímica de los óxidos preparados se llevó a cabo mediante el análisis de área superficial específica y la determinación de la energía de banda prohibida. El análisis de fisisorción de N2 sobre los óxidos semiconductores reveló que el área superficial específica, SBET, disminuye al aumentar la temperatura de calcinación. En la figura 6 se presentan los resultados tanto del área superficial específica como los valores de energía de banda prohibida, Eg, obtenidos para las perovskitas simples y dobles laminares. El óxido que presentó el mayor valor de área superficial fue el NaTaO3:Sm, preparado por sol-gel y calcinado a 600°C (25 m2.g-1). Los altos valores de área superficial de cada uno de los óxidos preparados por sol-gel confirman el hecho de que a través de este método se obtienen nanopartículas. Asimismo, se observa que el ancho de banda de cada uno de los óxidos analizados se encuentra en el rango entre 3.6 y 4.7 eV, lo que nos indica que estos óxidos absorben luz a longitudes de onda menores a 400 nm. Lo anterior sugiere que para lograr la excitación de los electrones es necesario irradiarlos con luz ultravioleta para lograr un mejor desempeño fotocatalítico. 31 �Semiconductores tipo perovskita en procesos fotoinducidos para la purificación de agua / Leticia M. Torres-Martínez, et al. Fig. 6. Valores de área superficial y energía de banda prohibida en función de la temperatura de síntesis. Desempeño fotocatalítico de las perovskitas simple y doble laminar en reacciones de degradación de contaminantes orgánicos La tabla I muestra los resultados que se obtuvieron en las pruebas de degradación fotocatalítica para los óxidos tipo perovskita simple, NaTaO3 y NaTaO3:A (La y Sm), en la degradación de Azul de Metileno. Como referencia, el NaTaO3 sin dopar mostró tiempos de vida media superiores a los 89 min para esta misma reacción. Por otro lado, en la tabla II se muestran los resultados de la actividad mostrada por los materiales semiconductores del tipo perovskita doble laminar en las reacciones de degradación de cristal violeta y rojo alizarín S. Estos óxidos mostraron una considerable degradación que alcanzaron en un lapso de 30 minutos de reacción, específicamente para el cristal violeta, colorante de la familia de los trifenilmetanos.38 Comparando los resultados obtenidos en este trabajo de investigación con lo reportado en la degradación del CV con otros materiales, se tiene que las perovskitas dobles laminares presentan mayores porcentajes de degradación, en tiempos de reacción fotocatalítica menores.36-37 Por otro lado, los tantalatos y niobiatos de estroncio evaluados en las reacciones de fotocatálisis de Rojo Alizarín S mostraron un comportamiento similar al observado para la degradación de Cristal Violeta. Prácticamente todos los materiales presentaron actividad fotocatalítica superior a la fotólisis de los colorantes, tanto a pH 3 como a pH 5. Estos resultados para ambos valores de pH no muestran una variación significativa, además de que no se distingue claramente un efecto del pH sobre los porcentajes de degradación, ya que solamente el Sr2Ta2O7-ES destaca cuando se trabajó a pH 3 y el Sr2Ta2O7-EG cuando se realizó a pH 5. Para ambos semiconductores podemos observar la tendencia a que conforme se incrementa la temperatura de calcinación, la actividad fotocatalítica se ve disminuida, por lo que las muestras preparadas por los métodos de química suave presentan los mejores porcentajes de degradación, así como la mayor constante de velocidad (k) y, consecuentemente, el menor tiempo de vida media (t1/2). Estos parámetros cinéticos fueron calculados considerando que el comportamiento que presentaron todas las reacciones fotocatalíticas es de primer orden. Finalmente, la actividad fotocatalítica de estos semicondutores se vio favorecida bajo irradiación de luz UV debido a que mostraron valores de Eg cercanos a 4.0 eV. Aunque no fue claro cuál variable tiene mayor peso en la actividad fotocatalítica, el empleo del método sol-gel ayudó a mejorar considerablemente las propiedades estructurales y propiedades fisicoquímicas de los semiconductores estudiados en este trabajo. Tabla I. Parámetros cinéticos de la perovskita NaTaO3:A (A = La y Sm) en la reacción de degradación de Azul de Metileno. Semiconductor NaTaO3:La NaTaO3:Sm 32 Método Temperatura (°C) SG 600 SG 800 Tiempo de reacción (min) 300 % Degradación k (min-1) t1/2 (min) 85 0.0084 83 70 0.0063 110 ES 850 60 0.0047 147 SG 600 80 0.0106 65 SG 800 65 0.0059 117 ES 850 70 0.0067 103 300 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Semiconductores tipo perovskita en procesos fotoinducidos para la purificación de agua / Leticia M. Torres-Martínez, et al. Tabla II. Parámetros cinéticos de la perovskita doble laminar Sr2M2O7 (M = Ta y Nb) en las reacciones de degradación de Cristal Violeta y Rojo Alizarín S. pH=3 Método Temperatura Tiempo de % (°C) reacción (min) Degradación k (min-1) pH=5 t1/2 % k (min) Degradación (min-1) t1/2 (min) Cristal Violeta Sr2Ta2O7 Sr2Nb2O7 SG-ISO 850 98 0.1370 5 80 0.0408 17 SG-EG 900 92 0.0802 9 97 0.1055 7 ES 1030 84 0.0623 11 85 0.0622 11 SG-EG 800 30 88 0.0903 8 62 0.0231 30 ES 1030 62 0.0396 18 75 0.0378 18 SG-ISO 850 24 0.0171 41 39 0.0208 33 SG-EG 900 22 0.0174 40 51 0.0253 27 Rojo Alizarín S Sr2Ta2O7 Sr2Nb2O7 ES 1030 49 0.0281 25 53 0.0230 30 SG-EG 800 30 28 0.0219 32 60 0.0251 28 ES 1030 42 0.0204 34 53 0.0214 32 CONCLUSIONES Mediante el método sol-gel se logró obtener los óxidos tipo perovskita simple y doble laminar en forma de nanopartículas, con tamaños menores a 50 nm para el caso de la perovskita simple, NaTaO3, NaTaO3:A (A = La, Sm) y menores a 400 nm para el caso de la perovskita doble laminar, Sr2M2O7 (M = Ta, Nb). Los óxidos tipo perovskita simple, NaTaO3 y NaTaO3:A (A = La, Sm) cristalizaron en la fase NaTaO3 ortorrómbica, y su estructura fue corroborada mediante el refinamiento del método Rietveld a través de difracción de rayos-X. En el caso de la perovskita doble laminar, Sr2M2O7 (M = Ta, Nb), se logró establecer nuevas condiciones para su síntesis por el método de reacción en estado sólido. Todos los semiconductores sintetizados en el presente trabajo mostraron un buen desempeño fotocatalítico en las reacciones de degradación de contaminantes orgánicos presentes comúnmente en agua residual, como son el azul de metileno, el cristal violeta y el rojo alizarín S. La actividad fotocatalítica de estos semicondutores se vio favorecida bajo irradiación de luz UV debido a que mostraron valores de Eg cercanos a 4.0 eV. Aunque no fue claro cuál variable tiene mayor peso en la actividad fotocatalítica, el empleo del método sol-gel ayudó a mejorar considerablemente las propiedades Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 estructurales y propiedades fisicoquímicas de los semiconductores estudiados en este trabajo. También, se encontró que la presencia de un agente dopante, en el caso de la perovskita simple, tiene un efecto favorable ya que permite controlar la cristalización de la fase y mantener altos valores de área superficial específica en este tipo de materiales en comparación con los preparados por reacción en estado sólido. Por otra parte, en el caso de la perovskita doble laminar, el uso de un disolvente adecuado durante el proceso sol-gel, ayudó a mejorar la cristalinidad de la fase deseada a más baja temperatura, manteniendo además áreas específicas ligeramente mayores a las obtenidas por los materiales preparados por reacción en estado sólido. Por lo anterior, los semiconductores preparados por el método sol-gel en este trabajo, NaTaO3, NaTaO3:A (A = La, Sm), y Sr2M2O7 (M = Ta, Nb), pueden ser considerados como potenciales candidatos a ser utilizados en procesos fotoinducidos para la purificación del agua. AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer a la UANL por el apoyo financiero a través de los proyectos PAICYT-UANL 2007, y al CONACYT por el apoyo económico a través de los proyectos de Cooperación Bilateral México-Korea 2007-2009, y Ciencia Básica 84809. 33 �Semiconductores tipo perovskita en procesos fotoinducidos para la purificación de agua / Leticia M. Torres-Martínez, et al. REFERENCIAS 1. H. Kato et al. Chem. Lett. 33 (10), 348 (2004). 2. Kakihana, M. et al. J. Catal. 232 (1), 102–107 (2005). 3. A. Kudo et al. Chem. Lett. 34 (1), 54-55 (2005). 4. K. Domen et al. Chem. Commun. 3829 (2005). 5. A. Kudo et al. Chem. Lett. 35 (9), 1052-1053 (2006). 6. K.Domen et al. Nature 440, 295 (2006). 7. X. Zhou et al. Appl. Surf. Sci. 255, 2803–2807 (2008). 8. Z. Lia et al. Int. J. Hydrogen 34, 147-152 (2009). 9. Z.G. Zou et al. Solid State Ionics 180, 1539–1542 (2009). 10. G. Li. Mater. Chem. Phys. 121 (1-2), 42-46 (2010). 11. Y. Wang et al. Reac. Kinet. Mech. Cat. 99 (2), 485-491, (2010). 12. X. Tang et al. J. Solid State Chem. 183 (1), 192197 (2010). 13. G. Meng et al. Mater. Res. Bull. 42 (2) 334-344 (2007). 14. X. Li et al. J. Phys. Chem. C 113, 19411–19418 (2009). 15. Y. Jiang et al. Mater. Chem. Phys. 96, 234-239 (2006). 16. L. Torres-Martínez et al. Ceramic Transactions Series 193, 197-211 (2006). 17. S. Hwang et al. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 183, 176-181 (2006). 18. L. Torres-Martínez et al. Mater. Sci. Forum 544–545, 103–106 (2007). 19. W. Lin et al. Appl. Phys. Lett. 89 (21), 211904211904-3 (2006). 34 20. H. Teng et al. Appl. Catal. A-Gen. 331, 44–50 (2007). 21. J. Li et al. J. Sol-Gel Sci. Technol. 53 (2), 480484 (2010). 22. H. Cheng et al. Chem. Lett. 38 (3), 214 (2009). 23. Y. Zhu et al. Chem. Lett. 33 (7), 900-901 (2004). 24. M. Kakihana et al. Chem. Mater. 14 (8), 33693376 (2002). 25. G. Chen et al. Int. J. Hydrogen Energ. 34 (5), 2113-2120 (2009). 26. A. Kudo et al. J. Phys. Chem. B 104 (3) 571-575 (2000). 27. K. Rajeshwar J. Appl. Electrochem. 37 (7) 765787 (2007). 28. A. Fujishima et al. Int. J. Hydrogen Energ. 32 (14) 2664-2672 (2007). 29. A. Kudo et al. Chem. Phys. 339 (1-3), 104–110 (2007). 30. A. Kudo et al. J. Phys. Chem. B 106 (48), 1244112447 (2002). 31. A. Kudo et al. J. Am. Chem. Soc. 125 (10) 30823089 (2003). 32. A. Kudo et al. Catal. Today 78 (1-4), 561–569 (2003). 33. K. Rajeshwar et al. J. Photochem. Photobio. C: Photochem. Reviews. 9 (4), 171-192 (2008). 34. ICDD, sofware; PDF Maint Database V.4, 2005 35. S. Ji et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 7 (6), 13151321 (2005). 36. A. Gupta et al. Dyes Pigments 66 (3) 189-196 (2005). 37. C. Lu et al. Dyes Pigments 75 (2), 434-442 (2007). 38. R. Macy, Química Orgánica Simplificada, Reverté (1976). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Pioneros de la industria del cemento en el Estado de Nuevo León, México: Cementos Hidalgo, S.C.L. Javier Rojas Sandoval javierrojas@monterreyculturalindustrial.org RESUMEN La industria del cemento del estado de Nuevo León, como empresa globalizada, es actualmente líder en producción de cemento en México y Norteamérica, y uno de los mayores a nivel mundial. En este artículo se describe el inicio de esta industria, sus pioneros, y las condiciones y las funciones que le permitieron sortear crisis. En la parte I se analiza el caso de Cementos Hidalgo, S.C.L. y en la parte II se describe la creación de otras empresas y las funciones que llevaron a la creación y desarrollo de Cementos Mexicanos. PALABRAS CLAVE Cemento, Nuevo León, México, industria, pioneros. ABSTRACT The industry of the cement of the Nuevo Leon state in Mexico, as a globalised company, currently is leading the cement production in Mexico and North America, and one of the biggest world-wide. In this article the beginnings of this industry, its pioneers, and the conditions and fusions that allowed to draw crisis are described. In part I the case of Cementos Hidalgo is analyzed and in part II the creation of other companies and the fusions that took to the creation and development of Cementos Mexicanos are described. KEYWORDS Cement, Nuevo Leon state, Mexico, industry, pioneers. LA INDUSTRIA DEL CEMENTO EN EL ESTADO DE NUEVO LEÓN, MÉXICO1 En Nuevo León, desde principios del siglo XIX se conocía de la existencia de yeso de buena calidad y pizarra en la Sierra Madre, materia prima para fabricar un tipo de cemento. Las primeras solicitudes de permisos para instalar fábricas de cemento arrancan desde principios del siglo XX. El mes de marzo de 1901, Filomeno De Stéfano y socios solicitan permiso del gobierno del estado para establecer en Monterrey una fábrica de cal, cemento y ladrillos de pavimentación. La solicitud incluía una descripción del método de hornos de carga constante para la fabricación de cal. De Stéfano prometía instalar dos hornos con capacidad de 140 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 35 �Pioneros de la industria del cemento en el Estado de Nuevo León, México: Cementos Hidalgo, S.C.L. / Javier Rojas Sandoval toneladas de piedra y una producción de 35 toneladas de cal. Asimismo, especificaba que una vez establecida la explotación de la materia prima, se dedicaría a la fabricación de cemento y ladrillo de pavimentación. El gobierno concedió la exención por cinco años. El empresario y sus socios prometían invertir un capital inicial de diez mil pesos. La fábrica se instalaría por el rumbo de la Hacienda de Gonzalitos. Transcurridos los tres meses del plazo para instalar la fábrica, los industriales comunican al gobierno que no pueden cumplir con el compromiso, debido a que el Ferrocarril Nacional Mexicano no había construido un ramal hasta donde tenían proyectado montar la planta. Finalmente, en diciembre de 1901, los empresarios piden al gobierno cancelar la concesión.2 El segundo antecedente se produjo en agosto de 1902, cuando Alberto G. Cárdenas solicitó permiso al gobierno del estado para instalar una fábrica de cemento en el municipio de San Nicolás de Hidalgo. En la solicitud informaba haber realizado varias exploraciones en las que descubrió la existencia de cemento natural en varios puntos del estado. Mandó ensayar cuidadosamente las muestras y obtuvo buenos resultados. Asimismo hacía ver al jefe del gobierno estatal que su propósito de sustituir la importación de cemento era beneficiar al estado.3 No obstante que el gobierno otorgó el permiso oficial y que Alberto G. Cárdenas inició los trabajos en el municipio de Hidalgo, se presentaron dificultades que impidieron instalar la planta en los años especificados en la solicitud. El proyecto fue retomado años después por el propio Alberto G. Cárdenas, y los aportes de capital a cargo de hombres de empresa experimentados como el norteamericano J. F. Brittingham, Francisco Belden y Valentín Rivero, entre otros. Se dio otro intento en abril 7 de 1905 cuando John T. de Bell solicitó una condonación de impuestos por doce años para instalar la fábrica de Cemento Portland Monterrey. El solicitante se comprometía a invertir un capital inicial de 200 mil pesos. El proyecto no pudo realizarse y fue cancelada la solicitud al año siguiente. Otro momento de la historia de la industria cementera se dio el año de 1905 cuando Vicente Ferrara, accionista de la Fundidora Monterrey, emprendió el proyecto de instalar una planta productora de cemento que aprovechara la escoria de la planta acerera para producir cemento siderúrgico.4 En la década de los veinte se produjeron otros dos momentos importantes en la historia de las cementeras regiomontanas. Experiencias que corresponden a las fábricas de la segunda generación: Cementos Monterrey y Cementos Mexicanos. CEMENTOS HIDALGO, SOCIEDAD COOPERATIVA LIMITADA (S.C.L.). HISTORIA NARRADA POR EL SOCIO COOPERATIVISTA: LEÓNIDES CUEVA Los señores Alberto G. Cárdenas e Isidoro Canales, ambos residentes en Monterrey, establecieron en el municipio de Hidalgo N. L. (antes Villa de Hidalgo, a 30 kilómetros al noreste de Monterrey) una pequeña fábrica de ladrillos; la sociedad que formaron fue conocida como Canales y Cárdenas.5 Alberto G. Cárdenas era originario de Michoacán y desde 1888 estuvo empleado como contador en la Casa Rivero de Monterrey. En una de las incursiones de ambos personajes por el cerro de San Miguel, Hidalgo —donde ahora están las pedreras— encontraron grandes vetas de caliza y pizarra. Obtuvieron algunas muestras y los estudios realizados demostraron que el material era de buena calidad. Pero hacía falta capital suficiente para explotar industrialmente los depósitos. Fig. 1. Cementos Hidalgo, 2 de enero de 1931.9 36 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Pioneros de la industria del cemento en el Estado de Nuevo León, México: Cementos Hidalgo, S.C.L. / Javier Rojas Sandoval En la iniciativa para explotar los yacimientos de caliza y pizarra desempeñó un papel importante el norteamericano Juan F. Brittingham, quien para esas fechas residía en Torreón, Coahuila. En la entrevista con el empresario norteamericano, el señor Alberto G. Cárdenas afirmaba que existían grandes yacimientos de caliza y pizarra, además de yeso en la sierra de Potrero Chico. El inversionista Brittingham decidió apoyar el proyecto y comisionó al señor Cárdenas para hacer las gestiones correspondientes: permisos del gobierno del estado, del municipio de Hidalgo, así como la anuencia de los accionistas de la Hacienda de Juan y Cristóbal de Villarreal, para la posible instalación de una fábrica de cemento en esa población. El proyecto para instalar la fábrica indica que alguno de los hombres que lo iniciaron tenía conocimientos previos acerca del procedimiento para producir cemento. Los accionistas de la Hacienda de Juan y Cristóbal de Villarreal concedieron el permiso para utilizar las tierras de agostadero y la explotación de los depósitos de caliza, pizarra y yeso. El permiso se concedió por cien años. El 27 de febrero de 1905, el gobierno del estado concedió la exención de impuestos por diez años a los inversionistas, pero la planta no comenzó a producir hasta las postrimerías de 1907. Su capital inicial fue de 500,000 pesos; tres años después, ascendía a 1’500,000 pesos. Para 1913, la suma había llegado a los dos millones. El primer Consejo de Administración lo integraron: presidente, J. F. Brittingham; vicepresidente, licenciado Pablo Martínez del Río; secretario, Pedro Torres Saldaña; prosecretario, Gilberto Labín; tesorero, Francisco Belden; subtesorero, C. Valentín Rivero Gajá, vocales, Luis Garza y Juan Terrazas; comisario, Francisco Gómez Palacio.6 Los inversionistas acordaron otorgar al señor Alberto G. Cárdenas 700 acciones, sin costo, por las gestiones realizadas para la fundación de la fábrica de cemento. El 6 de octubre de 1905, se definió la composición accionaria de la nueva sociedad, con un capital de 500,000 pesos, distribuidos en cinco mil acciones de cien pesos. El acta constitutiva se firmó en la ciudad de Durango, Durango. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 Tabla I. Accionistas fundadores de Cementos Hidalgo. Accionista Puesto Juan F. Brittingham presidente Pablo Martínez del Río vicepresidente Francisco Belden tesorero Miguel Torres secretario Luis Garza primer vocal Juan Terrazas segundo vocal Valentín Rivero subtesorero Gilberto Lavín subsecretario Alberto G. Cárdenas gerente Fuente: Juan Ignacio Barragán, Cemex y la industria del cemento mundial, ORBIS Internacional, Monterrey, N. L., 1996. Los primeros años de actividad de Cementos Hidalgo estuvieron llenos de dificultades. Las acciones militares de los revolucionarios destruyeron puentes y vías férreas cercanos a la fábrica. La población y con ella la fábrica quedaron incomunicadas. La producción de la cementera se suspendió en más de una ocasión. Después de la caída del régimen dictatorial de Victoriano Huerta, pasó a ser administrada por el gobierno del estado, de octubre a diciembre de 1914.7 Los primeros años de operación de la planta se trabajó con un equipo y maquinaria de las siguientes características: • Una trituradora Allis Chalmers. • Un secador rotatorio de materias primas trituradas. • Ocho molinos Fuller verticales para molienda fina de crudos. • Cuatro hornos rotatorios Bonnot de siete pulgadas de diámetro con una capacidad de tres toneladas de clinker por hora. • Tres molinos de bolas Krupp. • Tres molinos de tubo Bonnot de cinco por treinta pulgadas, con capacidad de tres toneladas por hora. • Elevadores y transportadores helicoidales (gusanos de Arquímedes). El transporte de la caliza, la pizarra y el yeso se hacían en carretas, desde las canteras situadas a tres kilómetros de distancia de la fábrica. Con 37 �Pioneros de la industria del cemento en el Estado de Nuevo León, México: Cementos Hidalgo, S.C.L. / Javier Rojas Sandoval Fig. 2. En 1905 se fundó Cementos Hidalgo en la Vila de San Nicolás Hidalgo, fue la primera fábrica de Cemento de México.10 el tiempo se tendió una vía angosta de ferrocarril y el transporte se hacía en vagonetas que eran arrastradas por mulas. La fuerza motriz era proporcionada por un ingenio que consistía en: • Una máquina de vapor Cortiz de dos pistones de doble efecto, con una polea motriz de 4.5 metros de diámetro por 2.20 metros de ancho. • Dos máquinas de vapor pequeñas. Una de ellas accionada con un generador de energía eléctrica para el alumbrado. • Cuatro calderas de vapor. El movimiento era transmitido mediante la acción de una flecha de doce pulgadas de diámetro que atravesaba toda la fábrica y de ella dependían poleas para hacer girar los molinos y hornos; asimismo hacían mover los elevadores y los gusanos helicoidales. 38 El carbón pulverizado era el combustible empleado para generar fuerza de vapor. El público consumidor desconocía el cemento Portland pues las construcciones se edificaban con piedra, adobe, ladrillo o sillar. Las ventas realizadas en un principio eran de alrededor de 600 toneladas anuales, cuando su capacidad instalada le permitía producir 36,000 toneladas. La fábrica experimentó un importante cambio cuando fueron sustituidas las máquinas de vapor por otras generadoras de energía eléctrica (entre 1908 y 1910). Se modernizó la planta al electrificar sus instalaciones. Se montaron transformadores, líneas y motores eléctricos. Se adquirió equipo nuevo: • Cuatro máquinas generadoras de electricidad Devets-Otto con motores de combustión interna. • Cuatro productores de gas pobre (gasógenos) que utilizaban carbón lavado en sus hornos. El gas combustible se lavaba y filtraba para pasar posteriormente a los pistones de los generadores cuya capacidad alcanzaba los 500 kw. cada uno. Cada máquina generadora tenía cuatro pistones y un volante que pesaba doce toneladas y en su interior tenían el embobinado del alternador. Entre 1926 y 1932 se adquirieron tres molinos tubo Bonnot iguales a los existentes; se suspendieron las operaciones de los ocho molinos Fuller instalados al principio. La producción y ventas de cemento se incrementaron significativamente: 25,000 toneladas anuales, en términos estimados. En 1920 y por iniciativa de don Lorenzo H. Zambrano se funda la fábrica Cementos Monterrey, S. A. Luego, en 1931, se fusionaron Cementos Hidalgo y Cementos Monterrey para formar la nueva negociación: Cementos Mexicanos, S. A., queda como gerente general de la misma don Lorenzo H. Zambrano y como subgerente, el señor Jesús Barrera Rodríguez. La planta cementera de Hidalgo se convirtió en filial de Cementos Mexicanos. Debido a factores de incosteabilidad, la planta cementera de Hidalgo, N. L. decide suspender sus operaciones tanto de producción como administrativas, al mismo tiempo que procede a realizar reajustes de personal. Ello sucedió en el año de 1932. Una comisión de trabajadores se entrevistó con el gobernador del estado, Francisco Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Pioneros de la industria del cemento en el Estado de Nuevo León, México: Cementos Hidalgo, S.C.L. / Javier Rojas Sandoval A. Cárdenas, a fin de solicitarle su intervención para que la cementera de Hidalgo no fuera clausurada. El gobierno del estado prometió que tan luego como las condiciones del mercado lo permitieran, la fábrica reiniciaría sus actividades.8 Las dificultades de la planta cementera se convirtieron en un problema social que involucró a la mayoría de los habitantes del municipio de Hidalgo, dado que era la principal fuente de trabajo de la localidad. Por su parte, Cementos Mexicanos comenzó a trasladar maquinaria de Hidalgo hacia la ciudad de Monterrey, lo que alarmó a los trabajadores y pobladores del municipio cementero. Veían que con ello “se terminaban las esperanzas de que un día se reanudaran los trabajos de la fábrica”. El contexto de los años treinta fue decisivo para definir el rumbo de la fábrica de cemento de Hidalgo. Eran los tiempos de principios del cardenismo que impulsaron la participación obrera en la administración de las empresas. Un líder obrero con residencia en la ciudad de Monterrey, llamado José Alatorre Gámez, propagandista del plan sexenal del candidato a la presidencia de la república, Lázaro Cárdenas, arribó a Hidalgo en 1934. Divulgaba la idea de que las fábricas que estuvieran cerradas deberían abrirse para dar empleo a los obreros. Estando clausurada la cementera, los trabajadores y la población hidalguense encontraron una oportunidad para buscar alternativas que posibilitaran la reapertura de la fábrica. En junta con los trabajadores de la planta cementera, celebrada el 8 de noviembre de 1934, el señor Alatorre expresó el más decidido apoyo a los obreros y sugirió la formación de un sindicato para la defensa de sus intereses. Por unanimidad de los presentes se le puso el nombre de Sindicato Cementos Hidalgo; el lema: “Por los intereses del trabajador organizado”. Otros acuerdos fueron: impedir el traslado de más equipo y maquinaria a la ciudad de Monterrey. Al mismo tiempo se nombraron guardias (veladores) para que vigilaran las partes estratégicas de la fábrica: Fichera, Entrada de las Pedreras, Almacén General, Casa Gerencia, Planta de Fuerza, así como otros departamentos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 El 9 de noviembre se citó a la primera junta del sindicato en el interior de la planta. Se nombró la mesa directiva y quedó al frente, como secretario general, Marcos Lozano G., quien fue sustituido a los pocos días por José Maldonado Villarreal. Como asesor fue nombrado el señor José Alatorre. Ese mismo día, los sindicalistas acordaron informar sobre la incautación de la fábrica a las diferentes autoridades del gobierno del estado y la federación. En especial al presidente interino de la república, general Abelardo L. Rodríguez. Se solicitó el apoyo del ingeniero Bartolomé Vargas Lugo, gobernador del estado de Hidalgo, quien se distinguió por su apoyo a los cooperativistas de la Cruz Azul. El gobernador envió a su hermano, ingeniero Salvador Vargas Lugo, a Hidalgo, N. L. para hacer un estudio sobre las condiciones de la maquinaria y el equipo de la fábrica, a fin de ponerla en funcionamiento. La directiva del sindicato recién formado se entrevistó con el nuevo secretario de Economía, general Francisco J. Mújica, miembro del gabinete presidencial del general Lázaro Cárdenas. El general Mújica brindó todo su apoyo a los trabajadores de Hidalgo. Envió a un ingeniero para que verificara el estado en que se encontraba la maquinaria y el equipo de la fábrica y estudiara la suma monetaria requerida para hacer operativa la planta cementera. Al parecer el dictamen técnico resultó desfavorable a los hidalguenses, entre otras razones porque el ingeniero no acudió a la planta. El 25 de febrero de 1935, el presidente Lázaro Cárdenas visitó la fábrica de cemento; fue recibido por los trabajadores y el pueblo de Hidalgo e hizo un recorrido por todas las instalaciones de la planta fabril. En reunión sostenida con el presidente, los trabajadores le hicieron la petición de ayuda para hacer funcionar la fábrica en forma de cooperativa como la de Cruz Azul. En su intervención, el general Cárdenas manifestó que si un nuevo estudio técnico resultaba favorable a los trabajadores, el gobierno federal daría todo su apoyo para poner en marcha la planta; estaba dispuesto a proporcionar los 400,000 pesos que se requerían de inmediato y otras sumas adicionales. 39 �Pioneros de la industria del cemento en el Estado de Nuevo León, México: Cementos Hidalgo, S.C.L. / Javier Rojas Sandoval Poco tiempo después se presentó en la fábrica la comisión técnica encabezada por el ingeniero Simón Anduaga, enviado por la Presidencia de la República para dictaminar sobre el estado de la planta. El informe de la comisión fue favorable para ponerla en marcha. Los dirigentes del Sindicato de Cementos Hidalgo fueron recibidos por el presidente Cárdenas. Les comunicó su apoyo para la formación de la cooperativa y les informó el acuerdo de refaccionarlos con 400,000 pesos para la compra de la maquinaria faltante y el pago de los salarios a los trabajadores. El presidente Cárdenas les hizo entrega de una fotografía autografiada con las siguientes palabras: A los obreros de Hidalgo, N. L., seguro de que corresponderán al esfuerzo que hace la Nación tomando en sus manos la industria Cementos Hidalgo. El 20 de febrero de 1937 se reunieron los miembros del Sindicato de Cementos Hidalgo en las bodegas de empaque. Ante la presencia del inspector de Economía Nacional, David Colón Huerta, se pasó lista de presentes y se constató la asistencia de 226 agremiados. El inspector informó que estaba ahí para organizar una cooperativa y preguntó a los presentes si estaban de acuerdo en formarla; a lo cual respondieron afirmativamente. En seguida se dio lectura al proyecto de bases constitutivas para la nueva cooperativa y se aprobó por unanimidad. Se definieron los nombres de la sociedad y del producto: Cooperativa Industrial Cementos Hidalgo, S. C. L. y la marca Cemento Cuauhtémoc. El procedimiento técnico de compraventa consistió en que el gobierno federal compró la planta de Hidalgo a Cementos Mexicanos, y a su vez la vendió a la Cooperativa. La escritura se firmó en el Palacio Nacional (Departamento de Bienes Nacionales), con fecha del 29 de octubre de 1946. En el acta constitutiva de la cooperativa se estableció que: Para reunir el capital con que opere la cooperativa, se acordó que los socios suscriban certificados de aportación por valor de cincuenta pesos cada uno, dando un total de 11,300 pesos. La cantidad que aparece exhibida será cubierta con el trabajo de los socios en los términos estatuidos por el artículo 21 de la Ley General de Sociedades Cooperativas en vigor. 40 Tabla II. Consejo de la Cooperativa Industrial Cementos Hidalgo 1937. Presidente José Alatorre Gámez Secretario José Maldonado V. Tesorero Francisco Cárdenas Guerra Primer vocal Manuel Salazar Segundo vocal Vicente Cantú Consejo de Vigilancia José J. Sepúlveda Secretario Consejo de Vigilancia Leónides Cueva Vocal Comité de Vigilancia Marcos Lozano Gutiérrez Gerente general Ing. Salvador Vargas Lugo Superintendente Andrés A. Armiño Ingeniero Químico del Cemento Daniel Castro Legorreta Cajero Contador J. Manuel López Manjarrez Fuente: Leónides Cueva, op. cit.5 Después de cinco años de inactividad y luego de que la empresa se convierte en cooperativa reinicia sus actividades de producción en 1937. En el año de 1941 se introducen cambios que modernizan la planta. En primer lugar, se instala una caldera Bancock & Wilcox de 450 HP y una turbina General Electric de 1,500 kw. Los generadores Devtz-Otto quedan como planta de emergencia. La producción se incrementó en 23,000 toneladas anuales, logrando con ello un volumen anual estimado de 48,000 toneladas. Fig. 3. General Lázaro Cárdenas del Río y el Presidente Manuel Ávila Camacho entre otros, en la fábrica Cementos Hidalgo, 1946. 11 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Pioneros de la industria del cemento en el Estado de Nuevo León, México: Cementos Hidalgo, S.C.L. / Javier Rojas Sandoval A mediados de la década de los cincuenta, se lleva a cabo una reorganización de los sistemas de trabajo enfocados a la disciplina y la eficiencia laboral. La producción mensual pasó de 4,399 a 6,500 toneladas. Anualmente se alcanzó la cifra de 78,000 toneladas de cemento. Dos dificultades se presentan en el año de 1947: la falta de combustóleo y problemas en el transporte ferroviario de los carrostanque. Se reduce la producción a nueve mil toneladas anuales. No obstante lo anterior, se compra una pala mecánica P. H. para cargar las vagonetas en las pedreras. Entre 1948 y 1949 se hacen dos adquisiciones importantes: un molino de cemento Allis Chalmers de 7 por 24 pulgadas, con capacidad de diez toneladas/hora de cemento. Se instala una nueva caldera Murray Iron Works de 800 HP. En 1950 se adquirió un horno Kennedy Van Saun de nueve por diez pulgadas por 270, con una capacidad de diez ton./h. de clinker y un enfriador Fuller No. 525. Se construyeron cinco silos de crudos con capacidad de tres mil toneladas. Sin embargo, la producción no se incrementó significativamente debido a la escasez de combustóleo. Uno de los acontecimientos tecnológicos más significativos para la empresa cooperativa fue la sustitución del combustóleo por gas natural. El 29 de julio de 1952 se inauguró la instalación de la línea de cuatro pulgadas de diámetro de Monterrey a Hidalgo, incluyendo caseta de control y válvulas para transportar el gas natural. Con ello, se logró aumentar Fig. 4. Presidente Adolfo López Mateos y el Gobernador Raúl Rangel Frías durante una visita a Cementos Hidalgo, C. 1962. 11 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 la producción a 19,000 toneladas anuales. El volumen de producción total llegó a 75,000 toneladas. A mitad de la década de los cincuenta se crea un nuevo sistema denominado Aumento Unitario de Crudos, producto del ingenio y creatividad de los técnicos de la Cooperativa de Cementos Hidalgo, consistente en la mezcla cruda por superficie específica. La cooperativa consiguió que la Comisión Federal de Electricidad suministrara la energía necesaria para mover la maquinaria de la planta. Con ello se superaron los frecuentes paros de los molinos porque la proporcionada por la planta propia de energía era insuficiente. Los 33,000 voltios de electricidad fueron transportados desde San Gerónimo hasta el municipio de Hidalgo. La corriente eléctrica entró el 2 de marzo de 1956. La producción se incrementó en 14,000 toneladas anuales. Se logró una producción total de 101,000 toneladas anuales de cemento. Al finalizar la década de los cincuenta, se efectuó la primera etapa de ampliación de la fábrica en la Sección de Crudos. Al modernizar los departamentos de Secado y Molino de Crudos, el proceso de secado se verificó en un nuevo separador que separaba y secaba al mismo tiempo. La producción anual lograda fue de 148,000 toneladas. Al mismo tiempo se hicieron las siguientes adquisiciones: • Trascavo Caterpillar No. 955 • Trituradora Telesmidth, con capacidad para 120 ton./h. • Cinco silos de Crudos, con capacidad para tres mil toneladas. • Un molino de Crudos Smidht de once por 16-10 pulgadas. Fig. 5. Visita del Presidente Luis Echeverría a Cementos Hidalgo, 1970. 11 41 �Pioneros de la industria del cemento en el Estado de Nuevo León, México: Cementos Hidalgo, S.C.L. / Javier Rojas Sandoval En 1965 disminuyó el suministro de gas natural, trajo como consecuencia una sensible baja en la producción de 13,000 toneladas; la anual descendió a 135,000 toneladas. El siguiente año se llevó a cabo la segunda etapa de modernización y ampliación de la fábrica. Se realizó en las secciones de Clinker y Molienda de cemento. La ampliación consistió en lo siguiente: • Trascavo Caterpillar. • Perforadora Atlas Copco. • Cinco silos de crudos, con capacidad para tres mil ton. • Horno Smidth de 11-6 por 400 pulgadas, con capacidad de 500 ton./h. • Enfriador Folax. • Almacén de Clinker para treinta mil toneladas. • Molino de cemento Smidth, diez por 31-6 pulgadas de 33 ton./h. • Tres silos de cemento, con capacidad para diez mil ton. Dejaron de funcionar los molinos chicos instalados en 1905. Se desmanteló todo el Departamento de Secado. La producción aumentó a 124,000 toneladas; la anual, alcanzó la cifra de 272,000 toneladas. Al iniciar la década de los setenta volvió a presentarse el problema de bajo suministro de gas natural. No obstante, Pemex consigue normalizar la presión y el volumen del gas mediante la línea proveniente de Monclova, Coahuila. Debido a ello se logró aumentar la producción anual en 28,000 toneladas más, en comparación a 1966. Sin embargo, el problema del bajo suministro de gas siguió afectando a la planta cementera. En 1976, la Fig. 6. Presidente José López Portillo durante una visita a Cementos Hidalgo, 1979. 11 42 producción anual sufrió una caída en cifras menores a las de 1966. Se produjeron 263,000 toneladas, la producción disminuyó 37,000 toneladas respecto a 1971. Asimismo se terminaron de desmantelar los seis molinos chicos Bonnot, instalados en 1905. En 1976 se paralizó el molino de cemento Allis Chalmers que tenía un desgaste de 28 años. El molino Smidth dio abasto a toda la producción de cemento. Con el fin de dar cumplimiento a las indicaciones de la Subsecretaría del Mejoramiento del Ambiente se pararon los dos últimos hornos chicos Bonnot, instalados en 1905. A finales del mes de agosto de 1979 se inició la puesta en marcha de la nueva planta de Cemento Portland. El cambio afectó desde la pedrera hasta el empaque. Con ello se incrementó la capacidad de producción diaria de cemento en mil toneladas. Se instaló el siguiente equipo: • Trascavo Caterpillar 977 L. • Trakdrill Chicago Pneumatic. • Trituradora Giratoria Fuller, capacidad: 250 ton./h. • Almacén de materias primas con capacidad de 21,500 ton./h. • Molino de crudos Smidth de trece por 21-3 pulgadas, con capacidad de 7,850 ton. • Horno Fuller de 13-6 por 190 pulgadas, con precalentador de cuatro etapas. Capacidad para mil toneladas diarias de Clinker. • Almacén de Clinker, capacidad de 21,000 toneladas. • Molino de cemento Smidth de diez por 35 pulgadas, de mil toneladas de capacidad por día. • Tres silos de cemento. Capacidad diez mil toneladas. • Empacadora Fluxo, capacidad 95 ton./h. En el año de 1981, la empresa cooperativa logra el mayor incremento de la producción de cemento. Aumentó a 152,000 toneladas, para totalizar un volumen anual de 452,000 toneladas. En ese mismo año se adquirió otra maquinaria para pedrera y transporte: • Trascavo Caterpillar. • Dos camiones Caterpillar de 35 toneladas cada uno. • Perforadora de orugas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Pioneros de la industria del cemento en el Estado de Nuevo León, México: Cementos Hidalgo, S.C.L. / Javier Rojas Sandoval Entre 1983 y 1984 se modernizaron los hornos Smidth y Kennedy, la maquinaria y los sistemas de control. Se les instaló un precipitador electrostático a cada uno. Se modificó el colector de polvos Thermoflex en el horno Fuller. Sin embargo, habría de presentarse una caída en la producción en el año de 1983 a 80,000 toneladas de cemento, debido a problemas técnicos y a la baja demanda del producto, como consecuencia de la crisis económica nacional. La última etapa de la historia de la cooperativa se dio cuando fue readquirida por la empresa Cementos Mexicanos en 1993. REFERENCIAS Y NOTAS 1. Javier Rojas Sandoval. El patrimonio industrial histórico de Nuevo León: Las fábricas pioneras de la segunda generación, la 2° edición, CELYTE, N.L., CAEIP, Julio 2009. Colección investigación educativa N°.43, ISBN, 978-607-00-1470-3, Mty., Mx. 2. AGENL, Sección Concesiones, 17 / 3, marzo 2 de 1901. 3. Ibid., 17 / 6, agosto 27 de 1902. 4. Ibid., 20 / 4, abril 10 de 1905. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 5. La información para redactar el presente capítulo ha sido tomada del texto de Leónides Cueva, Cooperativa Cementos Hidalgo, S. C. L. 50 Aniversario 1934-1984, Hidalgo, N. L., s / f. El autor fue socio fundador de la Cooperativa Cementos Hidalgo, S. C. L. Síntesis, títulos y subtítulos de Javier Rojas Sandoval. 6. Isidro Vizcaya Canales, Los orígenes de la industrialización de Monterrey. (1867-1920). Librería Tecnológico, Monterrey, N.L. México, 1971. p. 128. 7. Diccionario histórico y biográfico de la revolución mexicana, tomo V. Instituto Nacional de Estudios Históricos de la Revolución Mexicana, Secretaría de Gobernación, México, 1992. 8. Versión de los cooperativistas. 9. Museo de Arte Contemporáneo de Monterrey. Monterrey en 400 fotografías. México. 1996. ISBN: 968-6623-34-5. 10. Rodrigo Mendirichaga. Los cuatro tiempos de un pueblo: Nuevo León en la historia. Primera edición junio 1985. México. ISBN: 968-891-000-7. 11.CONARTE-FOTOTECA. Nuevo León: Imágenes de nuestra memoria III. México. 2006. ISBN: 968-5724-46-6. 43 �Nuevo algoritmo de protección diferencial de transformador basado en análisis de componente principal Alicia Marisol Ramírez Castillo PROLEC GE (marisol.ramirez@ge.com) Ernesto Vázquez Martínez FIME-UANL (evazquezmtz@gmail.com) RESUMEN En este artículo se presenta un nuevo algoritmo para la protección diferencial de un transformador de potencia basado en Análisis de Componente Principal. El algoritmo consiste en un reconocimiento de patrones a partir de los datos de la corriente diferencial, y tienen el objetivo de discriminar entre condiciones de energización y sobreexcitación, y cortocircuitos en el transformador. Se analizó el desempeño del algoritmo mediante diversos casos de simulación en un sistema de potencia de prueba utilizando el programa PSCAD/EMTDC, considerando condiciones de energización, sobreexcitación y fallas internas; los resultados obtenidos muestran que el algoritmo propuesto se puede implementar como la base de una protección diferencial de transformador. PALABRAS CLAVE Análisis de componente principal, inrush, protección diferencial, reconocimiento de patrones. ABSTRACT In this article a new algorithm for the differential protection of a power transformer based on the Main Component Analysis is presented. The algorithm consists of a pattern recognition from the data of the differential current, with the purpose of discriminating between the conditions of energizing and overexcitement, and the short-circuits in the transformer. The performance of the algorithm by means of the simulation of diverse cases in a test power system was analyzed using the program PSCAD/EMTDC, considering the internal conditions of energizing, overexcitement and internal faults; the obtained results show that the proposed algorithm can be implemented as the base of a differential protection of the transformer. KEYWORDS Main component analysis, inrush, differential protection, pattern recognition. 44 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Nuevo algoritmo de protección diferencial de transformador basado en análisis... / Alicia Marisol Ramírez Castillo, et al. INTRODUCCIÓN En ocasiones, la protección diferencial en transformadores de potencia puede operar incorrectamente debido a la presencia de corrientes inrush producidas por condiciones de energización y sobreexcitación, las cuales pueden llegar a ser erróneamente interpretadas como corrientes de falla debido a que generalmente alcanzan valores muy elevados (hasta 25 veces la corriente nominal). Existen diversos esquemas que tratan de solucionar esta problemática, siendo el principio de la protección con retención por armónicas el más utilizado, en donde la segunda y quinta armónica presentes en las corrientes de inrush y de sobreexcitación, respectivamente, se utilizan para insensibilizar la protección diferencial.1 Sin embargo, se han reportado casos en que la corriente de falla interna puede contener una cantidad considerable de segunda armónica. 2 Por otra parte, ha sido demostrado que en transformadores modernos el contenido de segunda armónica en las corrientes de magnetización tiende a ser relativamente más pequeño, esto debido a que sus núcleos están hechos de materiales magnéticos amorfos. Por lo tanto, la detección de dichas armónicas no es un índice suficiente para determinar si la sobrecorriente medida es debida a una energización o a una falla interna. Por lo anterior, ha surgido la necesidad de contar con nuevos esquemas para la protección diferencial de transformadores con el objetivo de proteger eficientemente al transformador. Algunos algoritmos que han sido propuestos para dicho fin se basan en los modelos del transformador,3,4 y en el análisis de transformaciones modales de las formas de onda de corriente y voltaje.5 Así mismo, existen métodos basados en la aplicación de redes neuronales6 y lógica difusa.7 Sin embargo, en estos dos métodos se necesita diseñar la red neuronal ó las leyes de lógica difusa, lo cual requiere un gran número de patrones producidos por simulaciones de diversos casos. Además, los resultados obtenidos hasta el momento indican que la respuesta de la red depende en cierta medida de los parámetros del transformador, lo que significa re-entrenar la red para su aplicación en otro transformador, mientras que el esquema de lógica difusa presenta la desventaja Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 de que su estructura de operación está basada en reglas, por lo que se considera que la técnica no es tan robusta como se desearía para considerar todos los aspectos del fenómeno transitorio de un transformador. En 8 se propone un método que utiliza la transformada de correlación de tiempo mínimo (STCT) para magnificar la asimetría y el “ángulo muerto” de la corriente diferencial, de manera que se logra identificar las señales correspondientes a una condición de energización. Una problemática que se puede presentar en este esquema es que se pueda tener dificultad de discriminar una corriente inrush altamente simétrica. Recientemente, se ha hecho uso de la técnica de las wavelets como un método de extracción de características de la corriente diferencial para la identificación de corrientes inrush, resultando ser una herramienta eficiente.9,10 Sin embargo, la información requerida para llevar a cabo la identificación del tipo de corriente depende del espectro de frecuencia, que en cierta parte está relacionado con el contenido armónico y el grado de distorsión de la forma de onda, lo cual conlleva a posibles errores de discriminación en los casos donde la corriente inrush es altamente sinusoidal. Más recientemente, se ha propuesto el Análisis de Componente Principal como etapa de preprocesamiento de datos para realzar las características de algún evento en particular. En 11 se propone utilizar valores de la corriente eficaz y una estructura de red reuronal de base radial con 3 neuronas, sin embargo, el uso del valor eficaz de las corrientes representa un retraso de tiempo adicional en el algoritmo de al menos un ciclo; adicionalmente se requiere un proceso de entrenamiento fuera de línea. En 12 se propone un algoritmo que aplica la componente principal a los valores instantáneos de la corriente diferencial, utilizando una matriz de transformación. El algoritmo es independiente del contenido armónico y de los parámetros del transformador, ya que, a pesar de que cuantitativamente la corriente diferencial depende de las características del transformador, sus características cualitativas (forma de onda característica) se mantienen, por lo que el algoritmo logra discriminar sin ningún problema el tipo de corriente que se presenta; sin embargo, aunque no requiere una etapa de entrenamiento, se necesita formar una base de datos para determinar la matriz de transformación. 45 �Nuevo algoritmo de protección diferencial de transformador basado en análisis... / Alicia Marisol Ramírez Castillo, et al. En este trabajo se presenta una modificación del algoritmo descrito en,12 ya que el análisis de componente principal se aplica directamente a los valores instantáneos de la corriente diferencial, de tal forma que la matriz de transformación se determina en forma directa para cada tipo de evento, condición de inrush (energización y sobreexcitación) y cortocircuito interno. ANÁLISIS DE COMPONENTE PRINCIPAL (ACP) El Análisis de Componente Principal es una técnica estadística de síntesis de la información ó reducción de la dimensión (número de variables). Es decir, ante un banco de datos con muchas variables, el objetivo será reducirlas a un número menor perdiendo la menor cantidad de información posible. La utilidad principal de esta técnica reside en que permite estudiar un fenómeno multidimensional cuando algunas o muchas de las variables comprendidas en el estudio están correlacionadas entre sí en mayor o menor grado. El ACP fue propuesto por Karl Pearson en 1901, pero fue hasta 1933 que fue desarrollada por Harold Hotelling.11 El Análisis de Componente Principal consiste en aplicar una transformación que trae como resultado una rotación ortogonal del espacio de los datos originales. Este nuevo conjunto de vectores ortogonales son determinados de tal manera que contengan la mayor información posible de la varianza de los datos. El ACP tiene como objetivo el hallar combinaciones lineales (Y = [y1, y2,..., yp]) de variables representativas (X = [x1, x2,..., xp]) de cierto fenómeno multidimensional, con la propiedad de que exhiban varianza máxima (S) y que a la vez estén intercorrelacionadas entre sí. Esto es, del vector X se obtiene la matriz de covarianza S, dada por: ∑ (x n S= n 1 )( − x xn − x n −1 ) (1) A continuación se obtienen los eigenvectores U = [u1, u2,..., up], asociados a los eigenvalores más grandes de la matriz de covarianza S dada por (1). Teniendo U se procede a obtener la nueva representación vectorial mediante la siguiente expresión: 46 y1 = u1T X = u11 x1 + u21 x2 + " + uk1 xk + " + u p1 x p y2 = u2T X = u12 x1 + u22 x2 + " + uk 2 xk + " + u p 2 x p # = # = # (2) yk = ukT X = u1k x1 + u2 k x2 + " + ukk xk + " + u pk x p # = # = # y p = u Tp X = u1 p x1 + u2 p x2 + " + ukp xk + " + u pp x p sujeta a la restricción de que u1T u1 = 1, u2T u2 = 1, " , uTp u p = 1 , con lo cual se asegura que la transformación sea ortogonal y que la varianza no sea infinita. En (2), yk corresponde a la representación reducida kdimensional de los vectores xn. La varianza juega un papel muy importante en esta técnica debido a que es la que indica la cantidad de información que lleva incorporada cada componente principal. Entre mayor sea la varianza presente en las variables reducidas, mayor será la información retenida por ellas de los datos originales. Por tal motivo, la componente que exhiba mayor varianza es seleccionada como la primera componente principal y1. La segunda componente principal se selecciona de tal forma que y2 sea la segunda con mayor varianza pero que no esté correlacionada con y1. En forma similar se obtienen las componentes restantes, asegurando que la p-ésima componente sea ortogonal a todos los vectores característicos calculados previamente, es decir, upu1 = upu2 = upu3 = ... = 0 Es posible que un número limitado de las primeras CP expliquen una alta proporción de la varianza total, por lo que dichas componentes pueden sustituir a las variables originales. Ello permitirá resumir en unas pocas variables no correlacionadas gran parte de la información original, es decir, el grupo de datos que originalmente consistía de n observaciones y p variables puede ser reducido a uno conformado por n observaciones y k componentes principales, donde k<<p. Esta es la principal ventaja del ACP, ya que se logra una reducción de la dimensionalidad del problema, reteniendo la información más importante de cada uno de los datos originales. ACP APLICADO A LA DISCRIMINACIÓN DE CORRIENTES DE INRUSH Y DE CORTOCIRCUITO EN TRANSFORMADORES La idea consiste en aplicar el Análisis de Componente Principal para extraer los rasgos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Nuevo algoritmo de protección diferencial de transformador basado en análisis... / Alicia Marisol Ramírez Castillo, et al. distintivos de la corriente diferencial obtenida en diversos eventos. Dichos rasgos nos permitirán identificar si la corriente es debida a una corriente inrush (de energización o sobreexcitación), o a una condición de falla interna. Debido a que el algoritmo se aplica en la protección diferencial a transformadores de potencia, se tendrá información de señales de corriente diferencial obtenidas en cada una de las tres fases por medio de los TC colocados en el lado primario y secundario del transformador protegido. Suponiendo que el transformador a proteger es un transformador con dos devanados y con conexión ∆-Y, las corrientes diferenciales de error son: I DIF ⎡iDIF ( a −b ) ⎤ ⎡ I AB − I ab ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ = ⎢iDIF (b − c ) ⎥ = ⎢ I BC − I bc ⎥ ⎢i ⎥ ⎢I − I ⎥ ⎣ DIF ( c − a ) ⎦ ⎣ CA ca ⎦ (3) Sin embargo, con el objetivo de mejorar la sensibilidad del algoritmo ante cambios súbitos de la corriente, es decir, realzar el cambio transitorio de un estado a otro (normal a falla, o normal a energización), las señales utilizadas como entrada para el algoritmo corresponden a las señales incrementales de corriente, Δi(t), obtenidas al sustraerle a la corriente diferencial, i(t), su valor correspondiente a un ciclo anterior, i(t-nT). Esto se realiza mediante un filtro delta,12 tal y como se muestra en figura 1. Considerando lo anterior, la corriente diferencial de error trifásica queda expresada como: ⎡ ΔiDIF ( a−b ) ⎤ ⎡(I AB (t ) − I AB (t − nT ) )− (I ab (t ) − I ab (t − nT ) )⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ΔI DIF = ⎢ ΔiDIF ( b−c ) ⎥ = ⎢(I BC (t ) − I BC (t − nT ) )− (I bc (t ) − I bc (t − nT ) )⎥ ⎢ Δi ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ DIF ( c−a ) ⎦ ⎣(I CA (t ) − I CA (t − nT ) )− (I ca (t ) − I ca (t − nT ) ) ⎦ (4) donde T corresponde a un período de la señal a frecuencia fundamental (60 Hz) y n = 1, puesto que se debe sustraer la señal un ciclo anterior al tiempo actual. De esta forma, se reduce el efecto de los cambios de carga, ya que en esta situación, las señales incrementales son nulas. Fig. 1. Estructura de un filtro delta para la obtención de señales incrementales de corriente diferencial. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 La información que sirve de entrada al algoritmo corresponde a medio ciclo de la señal incremental en cada una de las tres fases. Dicha matriz de entrada está conformada por las tres señales incrementales de corriente diferencial durante medio ciclo (32 muestras/ciclo), obteniéndose una matriz ΔIT de tamaño 32 × 3. ⎡ ΔiDIF ( a−b )1 ΔiDIF (b−c )1 ΔiDIF ( c−a )1 ⎤ ⎢ ⎥ ΔIT = ⎢ # # # ⎥ ⎢ ΔiDIF ( a−b )32 ΔiDIF (b−c )32 ΔiDIF ( c−a )32 ⎥ ⎣ ⎦ (5) La matriz ΔIT debe ser transpuesta ya que la intención es impactar en las dimensiones, de manera que obtenemos una matriz de entrada ΔIT de tamaño 3 × 32. ⎡ ΔiDIF ( a−b )1 " ΔiDIF ( a−b )32 ⎤ ⎢ ⎥ ΔIT = ⎢ ΔiDIF (b−c )1 " ΔiDIF (b−c )32 ⎥ ⎢ ΔiDIF ( c−a )1 " ΔiDIF ( c−a )32 ⎥ ⎣ ⎦ (6) La transformación por componentes principales consiste en trasladar y rotar los datos de manera que queden representados en un nuevo plano. Por ello, una vez conformada la matriz ΔIT, se sustrae la media a cada uno de los datos de la matriz, ΔIT , y se dividen entre el valor INOM-TC, correspondiente al valor de corriente nominal (5 Amperes) del lado secundario de los transformadores de corriente utilizados en la protección diferencial, de manera que la matriz queda normalizada. Con esto se lleva a cabo la traslación de los datos al origen. ⎡ ΔIT − ΔIT ⎤ ⎦ ΔITE = ⎣ I NOM −TC (7) Habiendo normalizado la matriz de entrada se procede a obtener su matriz de covarianza S, cuyo tamaño es de 32 × 32. A la matriz S se le calculan sus eigenvalores L y eigenvectores U. ⎡ cov( s1 , s1 ) cov( s1 , s2 ) ⎢ cov( s , s ) cov( s , s ) 2 1 2 2 S =⎢ ⎢ # # ⎢ ⎣cov( s32 , s1 ) cov( s32 , s2 ) " cov( s1 , s32 ) ⎤ " cov( s2 , s32 ) ⎥⎥ ⎥ % # ⎥ " cov( s32 , s32 ) ⎦ (8) (9) (10) U = [eig1 eig 2 " eig32 ] Los dos eigenvectores dominantes, correspondientes a aquellos que están asociados a los dos eigenvalores más grandes, son los nuevos ejes sobre los cuales se van a proyectar cada uno de los vectores columna de ΔIT a partir de la siguiente transformación: T ΔIT (CP ) = [eig1 eig 2 ] ⋅ ⎡⎣ ΔITE ⎤⎦ (11) L = diag [l 1 l 2 " l 32 ] 47 �Nuevo algoritmo de protección diferencial de transformador basado en análisis... / Alicia Marisol Ramírez Castillo, et al. donde I T(CP) corresponde a la matriz de datos transformada. De esta manera cada una de las corrientes diferenciales obtenidas por la presencia de un disturbio en el sistema queda proyectada en un subespacio de dos dimensiones formado por las dos primeras componentes principales, y en base a esta representación gráfica se lleva a cabo la discriminación entre corrientes de falla e inrush. En caso de que el algoritmo reconozca que el evento presentado se trata de una condición de falla interna, se permitirá que la protección opere de manera que el transformador sea sacado de servicio. Por el contrario, si el evento se identifica como una energización ó sobreexcitación, entonces se bloqueará la operación de la protección. SISTEMA DE PRUEBA El sistema de prueba utilizado para validar el desempeño del algoritmo propuesto consiste de un transformador trifásico de dos devanados, 100 MVA, 230/115 kV, 60 Hz alimentado del lado primario por un generador 50 MVA, 230 kV, 60 Hz con una impedancia interna de 10 Ω. El transformador alimenta una carga inductiva de 8.058 KW y 2.025 MVAR (ver figura 2). En base a las corrientes de cortocircuito, la relación de los TC deberían ser 1500:5 y 3000:5 respectivamente, con el propósito de evitar la saturación. Sin embargo, se seleccionó ηTC1=600:5 y ηTC2=1200:5 con el propósito de tomar en cuenta el efecto de saturación de los TC’s. Las simulaciones se llevaron a cabo en el paquete de simulación PSCAD© - EMTDC. Para dicho sistema se simularon diversas condiciones de falla, energización y sobreexcitación. Cada uno de estos eventos se simuló en 16 diferentes instantes de tiempo de un ciclo, de manera que se considera el efecto que puede provocar el instante en que ocurre el disturbio. En total, se simularon 352 casos, de los cuales 176 corresponden a energización, 160 son falla interna y 16 son sobreexcitación. Así mismo, se llevaron a cabo diversas modificaciones de los parámetros tanto del transformador como del sistema, los cuales fueron modificación de la conexión eléctrica, curva de magnetización y capacidad del transformador; además, se modificó la constante de tiempo del sistema (impedancia de la fuente) y se introdujo carga no lineal en el sistema, todo esto con el objetivo de ampliar el campo de análisis del desempeño del algoritmo. Cabe mencionar, que el algoritmo se basa en el comportamiento cualitativo de la forma de onda de la corriente diferencial, y por ende, se espera que sea relativamente inmune a cambios en los parámetros eléctricos del transformador, ya que esto sólo altera numéricamente los valores de corriente, pero no modifica el fenómeno físico, por lo que las formas de onda no se verán afectadas, especialmente si se selecciona un apropiado método de escalamiento de las señales. RESULTADOS La aplicación del ACP permite transformar la matriz de entrada compuesta por las señales delta de las corrientes diferenciales normalizadas, originalmente expresadas en 32 dimensiones, a sólo 2 dimensiones. En este nuevo espacio, se definieron de manera heurística umbrales de operación para discriminar los distintos disturbios a que está expuesto un transformador. En la tabla I se resumen estos umbrales, los cuales fueron consistentes en todas las simulaciones efectuadas, tal y como se muestra más adelante. Esto es, si la proyección de las tres corrientes de fase sobre el plano de las dos primeras componentes principales, obtenidas a partir de la presencia de algún evento en particular, queda dentro del umbral [-0.04 , 0.04] con respecto a la componente principal CP1, se determina que el evento presentado se trata Tabla I. Umbrales de operación de la protección diferencial basado en ACP para un transformador con dos devanados. Evento E n e r g i z a c i ó n Sobreexcitación Fig. 2. Sistema de prueba. 48 Falla interna CP1 ó [-0.04 , 0.04] [-∞ , -0.04] [0.04 , ∞] Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Nuevo algoritmo de protección diferencial de transformador basado en análisis... / Alicia Marisol Ramírez Castillo, et al. de una condición de energización o sobreexcitación (corriente inrush). En caso de que alguna de las tres proyecciones quede fuera de dicho umbral y dentro del umbral [-∞ , -0.04] ó [0.04 , ∞], se determina que las corrientes se deben a la presencia de una falla interna, ya sea en el propio transformador ó dentro de la zona de protección del relevador, por lo que se debe de permitir la operación de la protección. En la figura 3 se muestran las corrientes diferenciales incrementales obtenidas a partir de la conexión inicial del transformador y su proyección en CP. Se observa que las tres proyecciones quedaron dentro del umbral especificado para una condición de inrush. Fig. 5. (a) Corrientes diferenciales debidas a una falla monofásica al energizar y (b) su proyección en el subespacio formado por CP1 y CP2. Para el caso de una falla interna en el transformador (cortocircuito entre devanados de la fase C), la proyección de las corrientes diferenciales en CP queda tal y como se muestra en la figura 6. Como al menos uno de los tres valores están fuera del rango [-0.04, 0.04], se confirma que se trata de una condición de inrush. Fig. 3. (a) Corrientes diferenciales debidas a una energización y (b) su proyección en el subespacio formado por CP1 y CP2. Para el caso de una sobreexcitación de un 110%, las proyecciones de las corrientes diferenciales quedan tal y como se muestra en la figura 4b. Fig. 4. (a) Corrientes diferenciales debidas a una sobreexcitación del 110% y (b) su proyección en el subespacio formado por CP1 y CP2. En la figura 5b se muestra la proyección en CP de las corrientes diferenciales incrementales obtenidas a partir de la presencia de una falla monofásica dentro de la zona de protección del transformador. En ella se observa que las corrientes diferenciales afectadas por dicha falla monofásica exceden el umbral especificado para condición de inrush, mientras que la corriente que no es afectada por la falla queda proyectada dentro del umbral. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 Fig. 6. (a) Corrientes diferenciales debidas a una falla interna en el transformador y (b) su proyección en el subespacio formado por CP1 y CP2. Debido al efecto de distorsión que provoca el uso de una carga no lineal es conveniente introducirla en el sistema de prueba considerado para la evaluación del desempeño del algoritmo propuesto. Por ello, utilizando el mismo sistema de la figura 2, se añade un convertidor de 6 pulsos como carga en el lado secundario del transformador protegido, cuya distorsión armónica total (THD) es de 28.45% aproximadamente. Cabe mencionar que este porcentaje de distorsión es demasiado alto, ya que en nuestro sistema no se está considerando ningún filtro o dispositivo que haga que se reduzca el nivel a valores permitidos por las normas. En las figuras 7 y 8 se muestran la proyección en CP para dicho escenario al presentarse una falla. Nuevamente se observa que la proyección correspondiente a las corrientes que son afectadas por la falla exceden el umbral de (-0.04, 0.04). 49 �Nuevo algoritmo de protección diferencial de transformador basado en análisis... / Alicia Marisol Ramírez Castillo, et al. Fig. 7. (a) Corrientes diferenciales debidas a una falla monofásica y (b) su proyección en el subespacio formado por CP1 y CP2. Fig. 8. (a) Corrientes diferenciales debidas a una falla trifásica y (b) su proyección en el subespacio formado por CP1 y CP2. Algunos de los factores de los que depende la magnitud de la corriente inrush son la capacidad del transformador y la curva de saturación del mismo. Por ello, se llevó a cabo la simulación del mismo sistema de prueba pero usando un transformador de 25 MVA y una curva de saturación diferente a la hasta ahora manejada, obteniéndose la proyección mostrada en la figura 9. Fig. 9. (a) Corrientes diferenciales debidas a una falla bifásica y (b) su proyección en el subespacio formado por CP1 y CP2. Hasta ahora, la conexión utilizada para el transformador ha sido ∆-Y. Con el objetivo de demostrar que el algoritmo es inmune al tipo de conexión del transformador, se evaluó su desempeño para la protección de un transformador Y-∆, obteniéndose la proyección mostrada en la figura 10. 50 Fig. 10. (a) Corrientes diferenciales debidas a una falla trifásica y (b) su proyección en el subespacio formado por CP1 y CP2. Si ahora se considera la aplicación del algoritmo pero para la protección de un transformador con devanado terciario 100 MVA, Y-Y-∆, 230/11/13.8 kV, al someter dicho transformador a condiciones de inrush y de cortocircuito dentro de la zona de protección, y teniendo carga no lineal, las proyecciones de las corrientes diferenciales en CP quedan tal y como se muestran en figuras 11 y 12. Fig. 11. (a) Corrientes diferenciales debidas a una energización y (b) su proyección en el subespacio formado por CP1 y CP2. Fig. 12. (a) Corrientes diferenciales debidas a una falla monofásica y (b) su proyección en el subespacio formado por CP1 y CP2. En dichas proyecciones, se observa que el umbral para llevar a cabo la discriminación no corresponde al que fue establecido para un transformador con dos devanados, ya que las proyecciones correspondientes a falla interna no sobrepasan el límite de (-0.04, 0.04). Sin embargo, aún es posible establecer un umbral de bloqueo del relevador que sea exclusivo para la protección de transformadores con devanado Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Nuevo algoritmo de protección diferencial de transformador basado en análisis... / Alicia Marisol Ramírez Castillo, et al. Tabla II. Umbrales de operación de la protección diferencial basado en acp para un transformador con tres devanados. Evento Energización Sobreexcitación Falla interna CP1 ó [-0.01 , 0.01] [-∞ , -0.01] [0.01 , ∞] terciario, tal y como se muestra en dichas figuras y el cual es descrito en la tabla II. En base a los resultados mostrados en las figuras 3 a 12 se observa que la identificación del tipo de evento presentado en el sistema depende del número de devanados del transformador, siguiendo los umbrales de operación mostrados en las tablas I y II, esto es, si el valor de las tres proyecciones que corresponden a las tres corrientes diferenciales de algún evento en particular quedan dentro del umbral determinado para energización ó sobreexcitación, el evento es clasificado como condición de inrush. En caso contrario, la corriente es clasificada como una corriente de falla interna, permitiéndose la operación de la protección. Este criterio de operación se resume en la figura 13. Cabe mencionar que cuando una de las tres proyecciones queda dentro del umbral para condición de inrush, mientras que las otras dos restantes quedan dentro del umbral para condición de falla interna, el evento presentado se trata de una falla monofásica. Este mismo criterio puede ser aplicable para el caso de los autotransformadores, sin embargo, debido a las diferencias en la conexión entre los devanados, estos resultados deben ser evaluados en forma más extensa. de los cuales sólo algunos fueron mostrados en este artículo, todo esto con el objetivo de validar el desempeño del algoritmo. Por ello, en cada una de las pruebas se modificaron ciertos parámetros y características del transformador y del sistema que afectan directamente a la corriente inrush, analizándose el comportamiento del algoritmo cuando se encuentra sometido a diferentes escenarios. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios al brindar una correcta discriminación de los diversos eventos simulados en el sistema. Con lo que se comprueba que el algoritmo verdaderamente proporciona confiabilidad y seguridad, y con la ventaja de ser muy sencillo y rápido, puesto que el algoritmo sólo necesita medio ciclo de información de las señales de corriente diferencial para poder reconocer el tipo de evento que se presenta. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo recibido por la Universidad Autónoma de Nuevo León bajo el Proyecto PAICyT CA-1257-06 y a PROLEC GE por el apoyo brindado durante la realización de este artículo. Fig. 13. Criterio de operación del algoritmo. CONCLUSIONES El algoritmo de protección diferencial propuesto se basa en la aplicación de la técnica estadística del Análisis de Componente Principal para llevar a cabo la discriminación entre corrientes de inrush y de cortocircuito en un transformador, por medio de la proyección de las corrientes diferenciales de error en un nuevo espacio de 2 dimensiones, de manera que se simplifica el proceso de identificación del evento presentado en el sistema. Se llevaron a cabo 352 simulaciones correspondientes a diferentes tipos de eventos, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 REFERENCIAS 1. C. H. Einval and J. R. Linders, “A three-phase differential relay for transformer protection”, IEEE Transactions PAS, vol. PAS-94, no. 6, pp. 913-918, Nov/Dec 1975. 2. P. Liu, O. P. Malik, D. Chen, G. S. Hope, Y. Guo, “Improved operation of differential protection of power transformers for internal faults”, IEEE Transactions Delivery, vol. 7, no. 4, pp. 19121919, 1992. 51 �Nuevo algoritmo de protección diferencial de transformador basado en análisis... / Alicia Marisol Ramírez Castillo, et al. 3. K. Inagaki, M. Higaki, Y. Matsui, K. Kurita, M. Suzuki, K. Yoshida and T. Maeda, “Digital protection method for power transformers based on an equivalent circuit composed of inverse inductance”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 3, no. 4, pp. 1501-1510, Oct. 1998. 4. T. S. Sidhu, M. S. Sachdev, H. C. Wood, “Detecting transformer winding faults using nonlinear models of transformers”, 4th International Conference Developments in Power System Protection, IEEE Publication No. 302, pp. 70-74, Apr. 1989. 5. T. S. Sidhu, M. S. Sachdev, “On-line identification of magnetizing inrush and internal faults in threephase transformers”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 7, no. 4, pp. 1885-1891, 1992. 6. L. G. Pérez, A. J. Flechsing, J. L. Meador, Z. Obradovic, “Training an ANN to discriminate between magnetizing inrush and internal faults”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 9, no. 1, pp. 434-441, Jan. 1994. 7. A. Wiszniewski and B. Kastenny, “A multi-criteria differential transformer relay based on fuzzy logic”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 10, no. 4, pp. 1786-1792, Oct. 1994. 8. H. Zhang, J. F. Wern, P. Liu and O. P. Malik, “Discrimination between fault and magnetizing inrush current in transformers using short-time 52 correlation transform”, Electrical Power and Energy Systems, no. 24, pp. 557-562, 2002. 9. O. A. S. Youssef, “A wavelet-based technique for discrimination between faults and magnetizing inrush currents in transformers”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 18, no. 1, pp. 170-176, Jan. 2003. 10. P. L. Mao and R. K. Aggarwal, “A wavelet transform based decision makin logic method for discrimination between internal faults and inrush currents in power transformers”, Electrical Power and Energy Systems, no. 22, pp. 389-395, 2000. 11. Erdal K.¸ Okan O. Omer U. David T., “PCA based protection algorithm for transformer internal faults,” Turk J Elec Eng & Comp Sci, Vol.17, No.2, 2009. 12. Vazquez E. Mijares J. Chacon O., A. Conde, “Transformer differential protection using principal component analysis”, IEEE Transactions On Power Delivery, Vol. 23, Issue 1, pp. 67–72, 2008. 13. C. Chatfield and A. J. Collins, Introduction to multivariate analysis, School of Mathematics, Bath University, Chapman and Hall, LondonNew York, 1980. 14. G. Benmoyal and J. Roberts, “Superimposed quantities: Their true nature and application in relays”, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. Pulman, WA USA, SEL USA, 1999. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Aplicaciones de la nanotecnología en fuentes alternas de energía Domingo I. García-Gutiérrez, Marco A. Garza Navarro, René F. Cienfuegos Peláez, Leonardo Chávez Guerrero CIIDIT-FIME-UANL domingo.garciagt@uanl.edu.mx RESUMEN La nanotecnología ha recibido mucha atención en los últimos años, y en consecuencia ha generado expectativas que van más allá del ámbito académico. Su capacidad única de fabricar estructuras novedosas ha derivado en la creación de materiales y dispositivos con un gran potencial de aplicaciones en diferentes áreas del conocimiento. Entre éstas destaca el sector energético, en virtud de la necesidad de nuevas tecnologías que permitan sostener el creciente consumo de energía eléctrica a nivel mundial, y al mismo tiempo sean amigables con el medio ambiente. En este sentido, las celdas solares surgen como un dispositivo prometedor para la generación de energía limpia a través del uso de recursos alternos. El presente artículo tiene como finalidad el mostrar un panorama general de la aplicación de las nanoestructuras en el desarrollo de celdas solares. PALABRAS CLAVES Nanotecnología, nanoestructuras, celdas solares. ABSTRACT Nanotechnology has gained a lot of attention in the recent years, and therefore has built great expectations that go beyond the academic arena. Its unique capability to fabricate novel structures has already created new materials and devices with many possible applications in different areas of applied knowledge. Among these, the energy sector withstands due to its necessity for technologies that allows it to keep up with the ever growing world’s energy demand, and also the requirement to be friendly with the environment during energy generation. Accordingly, solar cells arise as promising devices for the generation of clean energy that use alternative resources. The current article wants to present a general overview of the applications of nanostructures in the advancement of solar cells. KEYWORDS Nanotechnology, nanostructures, solar cells. INTRODUCCIÓN Actualmente la mayor parte de la energía eléctrica a nivel mundial es producida mediante combustibles fósiles, lo cual presenta inconvenientes asociados a lo limitado de este recurso. Expertos en el tema de la energía están de acuerdo en Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 53 �Aplicaciones de la nanoctenlogia en fuentes alternas de energía / Domingo I. García Gutiérrez, et al. el hecho de que las reservas de combustibles fósiles solamente podrán satisfacer la demanda por algunas décadas más. Esta estimación se realizó integrando el consumo actual y su evolución en función de la demanda mundial. Otro gran inconveniente asociado al uso de combustibles fósiles es de carácter ecológico, y se ve directamente influenciado por las crecientes exigencias por parte de la sociedad de disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero, resultantes de la quema de estos combustibles. Bajo esta perspectiva, el ser humano se encuentra forzado a voltear su mirada a la producción de energía eléctrica utilizando tecnologías alternas que representen una solución sustentable, a fin de solventar la creciente demanda energética a nivel mundial. Las soluciones propuestas para una diversificación del suministro energético han contribuido a revitalizar la investigación en técnicas alternativas para la generación de energía. La nanotecnología, por otro lado, ha sido un tema de gran interés científico y social durante las décadas más recientes. Muchos expertos a nivel mundial parecen coincidir en que la nanotecnología tiene el potencial para desarrollar técnicas de manufactura y materiales sin precedente. Es posible ver lo anterior, incluso, en el ámbito social y de las relaciones internacionales; es considerada una “megatendencia” y una tecnología disruptiva con potencial de influir en muchos ámbitos de la vida científica y social, que promete incrementar la eficiencia de muchas industrias tradicionales y desarrollar nuevas aplicaciones innovadoras mediante el uso de tecnologías emergentes. El uso de la nanotecnología en técnicas alternas para la generación de energía es una de las tantas áreas con potencial para el desarrollo de nuevos dispositivos tecnológicos. Debido a ello, en los últimos años, diversos grupos de investigación alrededor del mundo han enfocado sus esfuerzos al desarrollo de nuevos materiales nanoestructurados, cuya finalidad es la obtención de tecnologías para el aprovechamiento de recursos alternos, tales como la energía solar. El presente artículo tiene como finalidad el presentar un panorama general sobre el uso de nanoestructuras en la fabricación de dispositivos con el potencial de convertirse en la principal fuente de aprovechamiento de la energía solar. Estos dispositivos son las celdas solares. 54 IMPORTANCIA DE LAS CELDAS SOLARES EN EL CONTEXTO DEL APROVECHAMIENTO DE FUENTES ALTERNAS DE ENERGÍA La energía solar es una de las que mayor atención ha recibido, no solo por parte de la comunidad científica, sino también por la sociedad en general. La luz del sol es, sin duda, la mayor fuente de energía libre de emisiones de carbón que existe; llega mas energía a la tierra en los rayos del sol en una hora (4.3 x 1020 J), que toda la energía consumida en el planeta en un año (4.1 x 1020 J).1 No obstante, en la actualidad, solo alrededor del 0.1%1 de la electricidad producida en el mundo es captada de los rayos del sol por celdas solares y convertida en energía eléctrica.1 Las celdas solares convierten la energía solar en energía eléctrica, gracias a la excitación de electrones con radiación electromagnética en distintos intervalos de frecuencias, que van desde el ultravioleta hasta el cercano infrarrojo. Las celdas solares son fáciles de usar e instalar, lo cual, además de presentar la ventaja de poder emplazarse como sistemas modulares, expande sus usos, que van desde su aplicación en aparatos electrónicos como calculadoras y relojes, hasta su uso en plantas generadoras de energía de considerable envergadura. Sin embargo, uno de los principales obstáculos para el uso de los dispositivos fotovoltaicos en sistemas de generación de energía eléctrica a gran escala, es que, actualmente, el costo del dispositivo por potencia eléctrica generada no es competitivo con el costo de la energía eléctrica producida por medios convencionales, como la quema de combustibles fósiles.2 Paneles solares emplazados en un sátelite de la misión. Observatorio de Relaciones solar-Terrícolas (sTEREO, por sus siglas en inglés) de la NASA. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Aplicaciones de la nanoctenlogia en fuentes alternas de energía / Domingo I. García Gutiérrez, et al. En razón a lo anterior, en años recientes ha ganado atención la investigación acerca del uso de nanopartículas de materiales semiconductores para la fabricación de celdas solares. Aunado a sus elevadas secciones transversales de absorción y al bajo costo relacionado con su fabricación y procesamiento, las nanopartículas semiconductoras son un material que ofrece una alta probabilidad de producir celdas solares de altas eficiencias de conversión y de bajos costos asociados a su producción; comparadas con las celdas solares convencionales base silicio, la producción de celdas a partir de nanopartículas no involucra procedimientos de fabricación tan costosos como lo son: tratamientos térmicos a altas temperaturas en alto vacío y litografía.3 DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS BASADOS EN HETERO-UNIONES HÍBRIDAS Uno de los primeros trabajos que reporta el uso de nanoestructuras para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos (celdas solares) es el trabajo de Huynh y colaboradores.3 En dicho trabajo se reporta el uso de un material compuesto de nanobarras de selenuro de cadmio (CdSe) distribuidas en una matriz de poli(3-hexiltiofeno) (P3HT), como la capa absorbente de radiación electromagnética; a este tipo de dispositivos fotovoltaicos se les denomina “celdas solares de heterouniones híbridas”.4 En las celdas solares de heterouniones híbridas se mezclan componentes semiconductores, cuyos portadores de carga mayoritarios sean tipo-p (huecos) y tipo-n (electrones), a fin de lograr una eficiente separación de portadores de carga en la interfase entre ambos, y un subsecuente transporte de carga hacia los electrodos del dispositivo. En este contexto, los pares de portadores de carga, electrón-hueco, se generan cerca de la interfase heterogénea entre el polímero semiconductor (P3HT) y la nanoestructura semiconductora, mismos que son rápidamente separados por medio de la transferencia de uno de los dos portadores de carga a través de dicha interfase, a fin de participar en la conducción electrónica hacia los electrodos.4 Otro ejemplo de celdas solares de heterouniones híbridas es el reportado por Thompson y colaboradores. En este trabajo se documenta el uso de una combinación del P3HT (tipo-p) y el metil-éster-ácido, [6,6]-fenil-C61-buritico (PCBM, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 tipo-n), siendo este último un derivado de los fulerenos.5 En general, se han usado diferentes tipos de nanoestructuras, de composiciones químicas diversas, para la fabricación de prototipos de celdas solares, de entre las cuales se puede destacar el uso de nanoestructuras de silicio (Si),6 CdSe, 7 selenuro de indio-cobre (CuInSe2),8 óxido de zinc (ZnO),9 sulfuro de cadmio (CdS), sulfuro de plomo (PbS)11 y selenuro de plomo (PbSe).12 Es importante hacer notar que, hasta el momento los prototipos de celdas solares de heterouniones híbridas han observado eficiencias máximas de tan solo el 2.2 % de conversión de energía.12 Las bajas eficiencias de conversión se han relacionado con efectos tales como la falta de optimización de la superficie de la nanoestructura, debiéndose obtener una superficie que promueva, de manera efectiva, el intercambio de portadores de carga entre la nanoestructura y la matriz polimérica, a través de su interfase. Más aún, en algunos de estos trabajos de investigación se ha observado que la formación de fases segregadas de nanoestructuras dentro de la matriz polimérica, debida principalmente a su deficiente dispersión, afecta sustancialmente el desempeño de este tipo de dispositivos fotovoltaicos. En virtud de lo anterior, y debido al excelente control de su tamaño y morfología, mediante métodos químicos, así como al alto valor del radio de excitón de Bohr, -distancia en la que se extiende el excitón, par de electrón, en banda de conducción, y hueco, en banda de valencia- que éstos presentan, los calcógenos de plomo, tales como el PbSe, PbS y teluro de plomo (PbTe), han recibido especial atención por parte de la comunidad científica.14,15 Las características antes citadas permiten ajustar de manera precisa, mediante el confinamiento cuántico, -fenómeno que se presenta cuando el tamaño de la nanoestructura semiconductora es comparable con su radio de excitón de Bohr- el valor de la energía de banda prohibida dentro de un intervalo que permite la conversión de energía solar aun en el cercano infrarrojo (f > 120 THz). Otro factor que hace a estos sistemas de nanopartículas tan atractivos para su aplicación en la fabricación de celdas solares, es la gama de morfologías que es posible obtener a través de procedimientos químicos; se ha reportado la preparación de nanoestructuras con morfologías tales como esferas, cubos, alambres, estrellas y anillos.16-18 Asimismo, se ha observado que estos calcógenos de 55 �Aplicaciones de la nanoctenlogia en fuentes alternas de energía / Domingo I. García Gutiérrez, et al. Pb, particularmente el PbSe, son capaces de exhibir el fenómeno de “generación de múltiples excitones” (o GME, por sus siglas en inglés), -generación de más de un excitón, o par electrón-hueco, por parte de un solo fotón- lo cual incrementa la posibilidad de contar con altas eficiencias de conversión energéticas en celdas construidas a partir de este tipo de nanoestructura.19 Es importante hacer notar que gracias a este fenómeno se abre la posibilidad de fabricar celdas solares capaces de superar el límite Shockley-Queisser,20 en materiales semiconductores con una energía de intervalo prohibido única. DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS BASADOS EN NANOCRISTALES EN MEDIO CONTINUO Otro prototipo de celdas solares, también basada en nanoestructuras y ampliamente citado en la literatura, son las denominadas “celdas solares de nanocristales inorgánicos en medio continuo”.4 Con este tipo de celdas se superan los problemas relacionados con la baja eficiencia de conversión de las “celdas solares de hetero-uniones híbridas”, y que se encuentran asociados a la deficiente dispersión de nanoestructuras en matrices de naturaleza disimilar, así como la foto-degradación y oxidación de polímeros semiconductores; lo anterior sin sacrificar las ventajas que ofrece el uso de nanoestructuras en la fabricación de celdas solares. En este contexto, recientemente se han publicado trabajos que describen la fabricación y funcionamiento de dispositivos fotovoltaicos de tipo Schottky, que usan una capa absorbente de luz basada en cristales sintetizados a partir del depósito de nanopartículas de PbS21,22 y PbSe23,24 sobre sustratos. Módulos de paneles solares en el techo de residencias para alimentarlas con energía eléctrica foto-generada a partir de la radiación solar. 56 Usualmente estos dispositivos son fabricados a partir del depósito de las nanopartículas sobre sustratos de vidrio, previamente recubiertos con óxido de indio y estaño (ITO, por sus siglas en inglés), los cuales posteriormente son recubiertos, por técnicas de evaporación térmica, con una capa metálica (Mg, Al, Ca/Al, entre otros) la cual funge como el electrodo de la celda. Actualmente, la mayoría de este tipo de celdas solares presentan una eficiencia máxima de aproximadamente 4.2%.22 DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS BASADOS EN PELÍCULAS DELGADAS Por otro lado, las calcopiritas de selenuro de cobre e indio (CuInSe2 o CIS, por sus siglas en inglés) son también un grupo de compuestos con potenciales aplicaciones en la fabricación de celdas solares basadas en nanoestructuras. El atractivo de estos compuestos es que, según se ha reportado en la literatura, sus propiedades pueden manipularse a través de la adición de galio (Ga), el cual reemplaza parcialmente a los átomos de indio (In), y de azufre (S), que reemplaza una porción de los átomos de selenio (Se), siendo posible la obtención de compuestos no estequiométricos con fórmula CuIn125 La xGaxSySe2-y (CIGS, por sus siglas en inglés). utilización de películas delgadas de estos compuestos permite eficiencias de conversión tan altas como del 19 %, gracias a que presentan características ópticas tales como alto coeficiente de absorción, y estructura de bandas con intervalo prohibido directo.25 Debido a su alta eficiencia de conversión, diversos grupos de investigación han dirigido su atención al desarrollo de coloides de compuestos CIGS,8 explorando, además, rutas sintéticas para la preparación de nanoestructuras de compuestos como CuInS226 y CuInSe2;27 en la mayoría de estos reportes, las nanoestructuras fueron probadas en prototipos de celdas solares que típicamente presentaban una configuración de capas tipo vidrio/Mo/(CIGS tipop)/CdS/ZnO/ITO. Las eficiencias reportadas para este tipo de celdas solares están cerca del 3%.27 CELDAS DE GRÄETZEL Las celdas de Gräetzel, también conocidas como celdas solares “sensibilizadas”, son construidas comúnmente a partir de óxido de titanio (TiO2), utilizado Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Aplicaciones de la nanoctenlogia en fuentes alternas de energía / Domingo I. García Gutiérrez, et al. para la fabricación de electrodos para dispositivos fotovoltaicos, moléculas “sensibilizadoras”, generalmente de complejos de bipiridina de rutenio (II), electrolitos redox, típicamente I-/I3- o Co2+/Co3+ en disolución orgánica, y un electrodo metálico, usualmente de platino.4 En este tipo de celdas, la función del “sensibilizante” es la de absorber luz visible e inyectar electrones foto-generados hacia la banda de conducción del TiO2. No obstante, este proceso carga positivamente a las moléculas del “sensibilizante”, provocando la subsecuente oxidación de los iones del electrolito (I- a I3-, o Co2+ a Co3+). Debido a la diferencia de potencial entre los electrodos de la celda, estos iones difunden hacia el electrodo metálico, en donde se reducen electroquímicamente (I3- a I- o Co3+ a Co2+), cerrando así el ciclo de la celda. Es importante resaltar que el uso de electrodos fabricados de TiO2 mesoporoso, sintetizado a partir de la sinterización de nanopartículas de anatasa, ha permitido incrementar el área superficial de su interfase con el electrolito, lo cual se traduce en un incremento en la eficiencia de este tipo de celda, alcanzando magnitudes de hasta el 11%.28 En la actualidad, además, se explora el uso de nanopartículas semiconductoras como agente “sensibilizante” para la fabricación de este tipo de celdas. Lo anterior debido principalmente a dos factores. Por un lado, el rutenio es un metal precioso y su abastecimiento es limitado, lo cual hace la síntesis de este tipo de nanoestructuras, en comparación, un medio más rentable para la fabricación de celdas de Gräetzel. Más aún, la síntesis de nanopartículas semiconductoras ofrece la posibilidad de controlar las propiedades fotoeléctricas del agente “sensibilizante”, a través del control de su tamaño y morfología. En este sentido, algunos trabajos de investigación han arrojado resultados prometedores, reportando que, por ejemplo, la transferencia de electrones en interfaces de TiO2/CdSe es sumamente eficiente.29 No obstante, la utilización de nanopartículas semiconductoras para este fin se encuentra en una etapa muy temprana, ya que en la actualidad los mecanismos que rigen dicha trasferencia son, aun, sujetos de estudio. Prueba de ello es el trabajo de W. A. Tisdale y colaboradores, recientemente publicado en la prestigiosa revista Science, en donde se presenta un estudio detallado de los mecanismos de transferencia de electrones en la interfase de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 nanopartículas de PbSe y una película de TiO2.30 El resultado mas destacable de esta investigación es la demostración experimental de que en este tipo de sistemas es posible transferir “electronescalientes” (hot-electrons) -electrones que no están en equilibrio térmico con la red cristalina en la cual se encuentran- desde las nanopartículas de PbSe hacia la película de TiO2, y aprovecharlos para la generación de electricidad; en los dispositivos fotovoltaicos tradicionales, este tipo de electrones disipan su energía en forma de calor, induciendo vibraciones en la red cristalina del semiconductor.30 A P U N T E S I M P O RTA N T E S A C E R C A D E L DESARROLLO DE CELDAS SOLARES BASADAS EN NANOESTRUCTURAS Ahora bien, a fin de aprovechar las posibles ventajas que ofrecen los sistemas antes mencionados, se deben reunir tres condiciones básicas.14 En primer lugar, los niveles de energía de las nanoestructuras y de las matrices que las contengan tienen que alinearse de manera complementaria, de tal forma que faciliten la separación de los excitones foto-generados a portadores de cargas libres. Por otro lado, la cinética de la separación de los excitones a portadores de cargas libres, y el subsecuente transporte de dichos portadores de cargas, tiene que suceder más rápido que su recombinación. Finalmente, la morfología de los materiales compuestos (nanoestructura/ polímero-semiconductor) tiene que maximizar el área interfacial entre ambos materiales para facilitar la separación de los excitones a portadores de cargas libres, y al mismo tiempo proveer un camino continuo para el transporte de dichos portadores de cargas a los electrodos de la celda. DESARROLLO DE MATERIALES ABSORBENTES DE LUZ PARA CELDAS SOLARES Como se puede inferir del panorama hasta ahora presentado, el componente medular de una celda solar es en el que tiene lugar la foto-generación de excitones o pares electrón-hueco. Dicho dispositivo es comúnmente denominado capa absorbente de luz. Existen muchas y muy diversas técnicas para la preparación de estos materiales, y dependiendo de ellas es que uno u otro prototipo de celda, de los hasta ahora presentados, es fabricada. 57 �Aplicaciones de la nanoctenlogia en fuentes alternas de energía / Domingo I. García Gutiérrez, et al. Por ejemplo, el desarrollo de celdas solares basadas en películas delgadas, se logra generalmente a partir de técnicas de depositación térmica del material de la capa absorbente de luz sobre sustratos que fungen como electrodo del dispositivo fotovoltaico.25 De entre las técnicas reportadas en la literatura para este fin destacan la co-evaporación de los reactivos y tratamiento térmico (recocido) de películas precursoras (elementales o de compuestos) en atmósferas controladas.31 Se ha reportado que la deposición por co-evaporación de reactivos, por ejemplo de películas delgadas de CIGS, se logra a partir de una metodología de tres etapas, las cuales se llevan a cabo en atmósferas ricas en Se y bajo condiciones de ultra-alto vacío.32,33 Esta metodología involucra la depositación de una capa de CIGS rica en Cu en un sustrato, a 450 °C, seguida de una capa rica en In a una temperatura de 550 °C.34 La secuencia de deposición de capas asegura la formación de una película homogénea de CIGS con una conveniente deficiencia de Cu.2 Es de resaltar que, a través de esta metodología, se ha logrado la preparación de materiales absorbentes de luz con una eficiencia de conversión de energía de hasta un 20 %.25,35-38 No obstante, como es de imaginarse, este método de preparación es costoso, y presenta como mayor problema una falta de control sobre la composición final de la película delgada de CIGS; la composición que se obtiene no es homogénea en toda la película depositada, principalmente cuando se intentan recubrir áreas de varios centímetros, lo cual afecta directamente a la eficiencia final de la celda solar, ya que la composición de la película tiene un efecto directo en la habilidad del material de convertir fotones a excitones. Por esta razón, actualmente se exploran metodologías de síntesis de nanocristales de CIGS, CuInS2 y CuInSe2 por medios químicos suaves. Se ha reportado el uso de acetil acetonatos de In y Cu como precursores de dichos elementos, o en su defecto cloruros de In y Cu, además de cloruro de galio, mientras que para el caso del azufre y el selenio se usan sus polvos elementales como precursor;8 la reacción se lleva a cabo en diclorobenceno a temperaturas que van desde los 180 °C hasta los 240 °C. Estas reacciones dan como resultado nanocristales que varían en tamaño desde los 5 nm hasta los 25 nm. De manera análoga, se ha reportado la síntesis de nanopartículas de PbSe, PbS y PbTe utilizando 58 suspensiones de óxido de Pb en ácido oléico; esta suspensión se calienta a altas temperaturas (aproximadamente 150 °C) para que se forme un oleato de Pb. En su caso, la fuente de Se o Te proviene generalmente de disoluciones de estos elementos en trioctilfosfina (TOPO), misma que es posteriormente agregada al precursor de Pb durante la formación del oleato.14-18,39,40 Las nanopartículas semiconductoras de calcógenos de Pb se forman inmediatamente después de agregar la disolución de Se o Te, y su tamaño final es controlado mediante un control de la temperatura y el tiempo de reacción. Este método de síntesis ha demostrado ser muy flexible y versátil, ya que cambiando algunos de los parámetros de la reacción se ha logrado observar un buen control en la morfología de las nanopartículas sintetizadas (véase figura 1). Algunos de los parámetros de la reacción que, de acuerdo a reportes, tienen un impacto directo en la morfología de las nanopartículas son la velocidad de enfriamiento de la reacción, la temperatura a la que se prepara el precursor de plomo y la adición de hexano al final de la reacción.17,40 Por otro lado, la preparación de absorbentes de luz a partir de materiales híbridos, entre nanopartículas y matrices poliméricas semiconductoras, es lograda a través de metodologías denominadas ex situ. En estas metodologías, las nanopartículas son sintetizadas, posteriormente su superficie es funcionalizada con algún ligando, y finalmente dispersas en disoluciones poliméricas. Una vez lograda la dispersión de las nanopartículas funcionalizadas en la disolución polimérica, la película de material híbrido puede prepararse por métodos de depositación como el “spin-coating” (SC).22,24,41 Este método consiste en colocar una gota de la disolución de material híbrido Fig. 1. Imágenes de TEM mostrando dos de las diferentes morfologías obtenidas en la síntesis de nanoparticulas de los calcógenos de plomo. En la imagen de la izquierda se pueden apreciar nanopartículas con una forma esférica, mientras que en la imagen de la derecha, se pueden observar con una forma cúbica.40 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Aplicaciones de la nanoctenlogia en fuentes alternas de energía / Domingo I. García Gutiérrez, et al. sobre un sustrato, para posteriormente hacerlo rotar a una velocidad controlada, de manera que el fluido es dispersado sobre él, gracias a la fuerza centrífuga asociada a la rotación y al tiempo en que el disolvente es evaporado. Asimismo, el desarrollo de películas absorbentes de luz, en dispositivos fotovoltaicos basados en nanocristales en medio continuo, se logra a partir de métodos de depositación como el “dip-coating” (DC). En este caso, el sustrato es inmerso en una disolución coloidal de nanoestructuras, dejado ahí por un periodo determinado de tiempo, posteriormente retirado a una velocidad controlada y finalmente lavado para eliminar las moléculas de ligante con que se funcionaliza a las nanopartículas y se mejora el transporte de carga entre ellas.23,24 Una de las grandes ventajas que ofrece este método es la facilidad con la que se puede controlar el espesor final de la película, ya que al repetir el paso de inmersión del sustrato en la disolución coloidal se puede aumentar el espesor final de la película. Un ejemplo de este tipo de películas es mostrado en la figura 2. Fig. 2. Imagen de SEM de la sección transversal de una película de nanopartículas de PbSe, preparada por el método de recubrimiento por inmersión capa-por-capa depositada en una capa de ITO. La barra de magnificación en la imagen equivale a 50 nm.24 FABRICACIÓN DE CELDAS SOLARES La figura 3 muestra una representación esquemática de una celda solar, en la cual se usa como material absorbente de luz una película delgada de CIGS. La fabricación de la celda comienza con la depositación de Mo sobre un sustrato de vidrio, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 Fig. 3. Diagrama mostrando el esquema de una configuración típica de una celda solar con base en películas delgadas de CIGS. seguida del depósito de una capa absorbente de luz de CIGS tipo-p, una capa de CdS tipo-n u otro semiconductor tipo-n ligeramente dopado, una capa de ZnO intrínseco, una capa de semiconductor transparente tipo-n, usualmente ZnO dopado o InO3, una rejilla de conductor metálico (Ni o Al) y una pantalla anti-reflejante, que puede ser de MgF2.2 Como se observa, la estructura de esta celda base CIGS es sumamente complicada e implica el apilamiento de un gran número de capas que deben de reaccionar entre sí para fomentar la interconexión y favorecer el transporte de carga, lo cual es logrado a través de tratamientos térmicos en atmósfera controlada, al que es sujeto la celda durante los pasos de deposición. Se han reportado eficiencias de conversión de hasta un 19.2 % para celdas con este tipo de configuración.42 Por su parte, una técnica ampliamente reportada para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos a partir de materiales híbridos, entre nanopartículas semiconductoras y matrices poliméricas, consiste en depositar disoluciones de estos materiales sobre sustratos de un óxido conductor transparente, como el 59 �Aplicaciones de la nanoctenlogia en fuentes alternas de energía / Domingo I. García Gutiérrez, et al. ITO.4 El depósito de la película de material compósito se logra por metodologías tales como el SC. Una vez que se cuenta con el electrodo transparente recubierto con una capa del material absorbente de luz, el siguiente paso es depositar un segundo electrodo, que en la mayoría de los casos es una capa de aluminio (Al) (véase figura 4). Esta capa de material conductor se deposita por métodos de evaporación, generalmente en áreas previamente delimitadas por máscaras litográficas.21 No obstante, otra alternativa es la fabricación de celdas fotovoltaicas a través de métodos como el DC, utilizando sustratos de vidrio recubiertos con ITO; el recubrimiento de ITO se realiza con un patrón de interés con base en el área definida como región activa de la celda fotovoltaica. Posteriormente se deposita un segundo electrodo sobre la película de material absorbente de luz.41 Como se puede ver, en ambos casos, los métodos de fabricación son relativamente sencillos y accesibles, ya que no requieren de equipo muy especializado para su fabricación.4 Fig. 4. Ilustración mostrando un modelo básico de los dispositivos fotovoltaicos previamente descritos. En este modelo se observa un electrodo superior, aluminio, la capa absorbente de luz en base a nanopartículas, y finalmente el sustrato de ITO/vidrio, que es el electrodo inferior. Aunado a lo anterior, recientemente se han publicado reportes de configuraciones alternativas para la fabricación de celdas solares.43,44 Estas configuraciones intentan aprovechar algunas de las características particulares de las nanoestructuras, dando lugar a un tipo de dispositivo fotovoltaico denominado celda solar exitónica (exitonic solar cell). La principal característica de este tipo de celda solar es que los portadores de carga se generan y se separan de manera simultánea en las interfaces entre sus componentes; en las celdas solares convencionales, la generación de los pares electrón-hueco ocurre a lo largo de toda la celda, y la separación de las cargas tiene lugar hasta la 60 unión n-p. Las celdas de Gräetzel son un ejemplo de celdas solares exitónicas. No obstante, dentro de las configuraciones alternativas, propuestas en la literatura, destacan en las que se sugieren localizar la capa absorbente de luz (la que contendría las nanopartículas semiconductoras) en medio de dos capas disimilares, una de naturaleza n, en la que los electrones foto-generados sean conducidos, y la otra de naturaleza p, para el acarreo de los huecos (véase figura 5). En este sentido, Choi y colaboradores han reportado la fabricación de celdas solares exitónicas, usando como capa absorbente de luz una película a base de nanopartículas de PbSe, una capa tipo n de ZnO foto-dopado con radiación UV y una capa tipo p de poli(3,4-etilenodioxitiofeno): poli-(estirenosulfonato) (PEDOT:PSS); de acuerdo a sus resultados, este tipo de configuración muestra una eficiencia de conversión de alrededor de 3.4%, la cual es una de las más altas reportadas para este tipo de sistemas.43 Fig. 5. Diagrama mostrando las partes y la configuración propuesta para una celda solar exitónica.43 APUNTES FINALES En este artículo se presentaron algunos ejemplos que muestran las posibles aplicaciones de las nanoestructuras en el desarrollo de celdas solares. Como se puede inferir de lo expuesto, la aplicación de las nanoestructuras para la mejora en la eficiencia de este tipo de dispositivos es prometedora. No es entonces de sorprendernos que este tema de investigación esté ganando un considerable número de adeptos dentro de la comunidad científica internacional, quienes han enfocado sus esfuerzos en el desarrollo de metodologías para la fabricación de celdas solares basadas en nanoestructuras. Lo anterior queda de manifiesto en la cantidad de trabajos de investigación reportados en diversas publicaciones de tiraje internacional, y que entre los años 2007 y 2009 ha tenido un incremento de 120 a 280 artículos publicados. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Aplicaciones de la nanoctenlogia en fuentes alternas de energía / Domingo I. García Gutiérrez, et al. sacar partido de recursos alternos poco explotados por el hombre, como la energía solar. Lo anterior justifica, en todos sentidos, el seguir invirtiendo y trabajando en proyectos de investigación científica básica y de innovación tecnológica, que busquen ampliar y aplicar conocimientos a la generación de energía por medios alternos. Fig. 6. Imagen de TEM mostrando nanopartículas de PbSe con morfología esférica y un diámetro aproximado de 4 nm. La barra de magnificación en la imagen equivale a 5 nm. Los investigadores de la Universidad Autónoma de Nuevo León, y específicamente los adscritos a la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, han reconocido el potencial de las nanoestructuras como materia prima para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos. En este contexto, actualmente, se trabaja en diversas líneas enfocadas a la preparación y caracterización de nanoestructuras con potenciales aplicaciones en la fabricación de celdas solares. Entre estas líneas destaca la guiada a la preparación de celdas solares basadas en materiales híbridos nanoestructurados, entre nanopartículas de calcógenos de plomo (PbSe, PbTe, PbS) y polímeros semiconductores. Las líneas de investigación en las que se sustenta este trabajo han sido cultivadas por investigadores del cuerpo académico de Síntesis y Caracterización de Materiales, y están siendo aprovechadas en este caso, por el recientemente registrado cuerpo de Ciencia e Ingeniería en Nanoestructuras. Como un ejemplo, la figura 6 muestra imágenes obtenidas por microscopía electrónica de transmisión, de nanopartículas de PbSe, sintetizadas por métodos químicos suaves. Estas nanopartículas tienen un diámetro aproximado de 4 nm, y muestran una morfología esférica. El siguiente paso en este proyecto es el de lograr un mayor control en el tamaño y la morfología de estas nanopartículas, para su posterior incorporación en la capa de material absorbente de luz, y estudiar el efecto de estos parámetros (tamaño y morfología) en sus propiedades fotovoltaicas. Finalmente, un punto importante a resaltar es que, aunque hasta el momento ninguno de los dispositivos fotovoltaicos basados en nanoestructuras es más eficiente que las celdas solares convencionales, la fabricación de celdas solares basadas en nanoestructuras representa una gran oportunidad para el desarrollo de nuevas tecnologías capaces de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 REFERENCIAS 1. Basic Research Needs for Solar Energy Utilization. Report of the Basic Science Workshop on Solar Energy Utilization, April 18-21 2005. Department of Energy, Office of Science. Este reporte se encuentra disponible http://www.sc.doe.gov/bes/ reports/files/SEU_rpt.pdf. 2. M. Kemell, M. Ritala, M. Leaskelä, Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 30, 1 (2005). 3. Huynh, W. U.; Dittmer, J. J.; Alivisatos, A. P. Science, 295, 2425 (2002). 4. Talapin, D.V.; Lee, J.S.; Kovalenko, M. V. and Schevchenko, E.V. Chem. Rev. 110, p. 389 (2010). 5. Thompson, B.C.; Jean, M.J.F. Angew. Chem. Int. Ed. 47, p. 58 (2008). 6. Liu, C.-Y. ; Holman, Z.C. ; Kortshagen, U.R. ; Nano Lett. 9, p.449 (2009). 7. Sun, B.Q.; Marx, E.; Greenham, N.C. Nano Lett. 3, p. 961 (2003). 8. Panthani, M.G.; Akhavan, V.; Goodfellow, B.; Schmidtke, J.P.; Dunn, L.; Dodabalapur, A.; Barbara, P.F.; Korgel, B. A. J. Am. Chem. Soc. 130, p.16770 (2008). 9. Beek, W. J. E.; Wienk, M. M.; Jansen, R. A. J. Adv. Func. Mat. 16, p. 1112 (2006). 10. Greenham, N. C.; Peng, X.; Alivisatos, A. P. Phys. Rev. B 54, p.17628 (1996). 11. Fritz, K.P.; Guenes, S.; Luther, J.; Kumar, S.; Saricifitci, N. S.; Scholes, G. D. J. Photochem. Photobiol. 195, p. 39 (2008). 12. Kim, S. J.; Kim, W. J.; Cartwright, A. N.; Prasad, P.N. Appl. Phys. Lett. 92, p. 191107 (2008). 13. Gur, I.; Fromer, N.A.; Chen, C.-P.; Kanaras, A.G.; Alivisatos, A.P. Nano Lett. 7, p. 409 (2007). 14. Hanrath, T.; Veldman, D.; Choi, J. J.; Christova, C. G.; Wienk, M. M.; Janssen, R. A. J. ACS Appl. Mat. Int. 1, p. 244 (2009). 61 �Aplicaciones de la nanoctenlogia en fuentes alternas de energía / Domingo I. García Gutiérrez, et al. 15. Ma, W.; Luther, J. M.; Zheng, H.; Wu, Y.; Alivisatos, A. P. Nano Lett. 9, p. 1699 (2009). 16. Cho, K.-S.; Talapin, D. V.; Gaschler, W.; Murray, C. B. J. Am. Chem. Soc. 127, p. 7140 (2005). 17. Houtepen, A. J.; Koole, R.; Vanmaekelbergh, D. L.; Meeldijk J.; Hickey, S. G. J. Am. Chem. Soc. 128, p. 6792 (2006). 18. Lu, W.; Fang, J.; Ding, Y.; Wang, Z. L. J. Phys. Chem. B 109, p. 19219 (2005). 19. Trinh, M. T.; Houtepen, A. J.; Schins, J. M.; Hanrath, T.; Piris, J.; Knulst, W.; Goossens, A. P. L. M.; Siebbeles, L. D. A. Nano Lett. 8, p. 1713 (2008). 20. Schockley, W.; Queisser, H. J. J. Appl. Phys. 32, p. 510 (1961). 21. Clifford J.P; Johnston, K.W.; Levina, L.; Sargent, E.H. App. Phys. Lett. 91, p. 253117 (2007). 22. Johnston, K.W.; Pattantyus-Abraham, A.G.; Clifford, J.P.; Myrskog, S.H.; Hoogland, S.; Shukla, H.; Klem, E.J.D.; Levina, L.; Sargent, E.H. Appl. Phys. Lett. 92, p. 122111 (2008). 23. Luther, J.M.; Law, M.; Song, Q.; Perkins, C.L.; Beard, M.C.; Nozik, A.J. ACS Nano 2, p. 271 (2008). 24. Luther, J.M.; Law, M.; Beard, M.C.; Song, Q.; Reese, M.O.; Ellingson, M.J.; Nozik, A.J. Nano Lett. 8, p. 3488 (2008). 25. Ramanathan, K.; Contreras, M. A.; Perkins, C. L.; Asher, S.; Hasson, F. S.; Keane, J.; Young, D.; Romero, M.; Metzger, W.; Noufi, R.; Ward, J.; Duda, A. Prog. Photovolt: Res. Appl. 11, p. 225 (2003). 26. Tang, J.; Hinds, S.; Kelley, S.O.; Sargent, E.H. Chem. Mater. 20, p. 6906 (2008). 27. Guo, Q.; Kim, S.J.; Kar, M.; Shafarman, W.N.; Birkmire, R.W.; Stach, E.A.; Agrawal, R.; Hillhouse, H.W. Nano Lett. 8, p. 2982 (2008). 28. Gratzel, M. J. Photochem. Photobiol., A: Chem. 2004, 164, 3. 29. Kamat, P. V. J. Phys. Chem. C. 2008, 112, 18737. 30. Tisdale, W.A.; Williams, K. J.; Timp, B.A.; Norris, D.J.; Aydil,E.S.; Zhu, X.-Y. Science. 328, p. 1543 (2010). 62 31. Birkmire, R. W.; Eser, E. Annu. Rev. Mater. Sci. 27, p. 625 (1997). 32. Conteras, M. A.; Tuttle, J.; Gabor, A.; Tennant, A.; Ramanathan, K.; Asher, S.; Franz, A.; Keane, J.; Wang, L.; Scofield, J.; Noufi, R. Proc. 1st World Conf. Photovolt. Energy Conv. IEEE, 68 (1994). 33. Gabor, A. M.; Tuttle, J. R.; Albin, D. S.; Contreras, M. A.; Noufi, R, Appl. Phys. Lett. 65, p. 198 (1994). 34. Devaney, W. E.; Chen, W. S.; Stewart, J. M.; Mickelsen, R. A. IEEE Trans. Electron Dev. 37, p. 428 (1990). 35. Contreras, M. A.; Egaas, B.; Ramanathan, K.; Hiltner, J.; Swartzlander, A.; Hasoon, F.; Noufi, R. Prog. Photovolt: Res. Appl. 7, p. 311 (1999). 36. Hagira, Y.; Nakada, T.; Kunioka, A. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 67, p. 267 (2001). 37. Chaisitsak, S.; Yamada A.; Konagai, M. Jpn. J. Appl. Phys. 41, p. 507 (2002). 38. Nakada, T.; Mizutani M. Jpn. J. Appl. Phys. 41, L165 (2002). 39. Yu, W. W.; Falkner, J. C.; Shih, B. S.; Colvin, V. L. Chem. Matter. 16, p. 3310 (2004). 40. Murphy, J. E.; Beard, M. C.; Norman, A. G.; Ahrenkiel, S. P.; Johnson, J. C.; Yu, P.; Micic, O. I.; Ellingson, R. J.; Nozik, A. J. J. Am. Chem. Soc. 128, p. 3241 (2006). 41. Koleilat, G. I.; Levina, L.; Shukla, H.; Myrskog, S. H.; Hinds, S.; Pattantyus-Abraham, A. G.; Sargent, E. H. ACS Nano 2, p. 833 (2008). 42. Haug, F.-J.; Rudmann, D.; Bilger, G.; Zogg, H.; Tiwari, A. N. Thin Solid Films 431-432, p. 431 (2003). 43.Choi, J.J.; Lim, Y.-F.; Santiago-Berrios, M.E.B.; Oh, M.; Hyun, B. R.; Sun, L.; Bartnik,A. C.; Goedhart,A.; Malliaras,G.G.; Abruña, H. D.; Wise, F.W.; Hanrath, T. Nano Lett. 9 (11), p. 3749 (2009). 44.McDaniel, H.; Zuo, J.-M.; Shim, M. J. Am. Chem. Soc. 132 (10), p. 3286 (2010). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Cinética de oxidación de la pirita, subproducto ácido del drenaje de la mina La Guitarra Miguel Ángel Espinosa RodríguezA, Edgar A. Arteaga BalderasB, Rosa María Zambrano CárdenasA, Liborio González TorresA Área de Ciencias Básicas e Ingenierías. Programa Académico de Ingeniería Química. Universidad Autónoma de Nayarit, (UAN). emiguel@nayar.uan.mx B Facultad de Ingeniería Civil, Instituto de Ingeniería Civil, UANL edgar.arteagabl@uanl.edu.mx A RESUMEN El drenaje ácido de mina (AMD), es el proceso mediante el cual, algunos minerales sulfurados se oxidan formando ácido sulfúrico (la pirita es el mineral que comúnmente genera este ácido, H2SO4). Este estudio, está enfocado a la determinación de la constante de velocidad de oxidación (k), parámetro importante en el diseño de sistemas de tratamiento de drenaje ácido, tal como el de la mina “La Guitarra” ubicada al suroeste del Estado de México. Los resultados obtenidos en las pruebas de velocidad de oxidación, indican que el ion ferroso es oxidado en un tiempo mínimo de 4 minutos. Durante esta reacción de oxidación e hidrólisis, 1 mol de acidez (como H2SO4) es formado por cada mol de ion ferroso oxidado. PALABRAS CLAVE Drenaje ácido de mina, ácido sulfúrico, pirita, velocidad de oxidación, ion ferroso. ABSTRACT Acid mine drainage (AMD) is the process in which some sulfide minerals oxidize forming sulfuric acid (pyrite is the mineral used commonly generates this acid, H2SO4). This study is focused in acid drainage occurrence in the mine “La Guitarra” located southeast in Mexico state. The obtained results in the oxidation rate test, indicate that ferrous iron is oxidized in minimum time of 4 minutes. During this oxidation and hydrolysis reaction, 1 mol of acidity (as H2SO4) is formed for each mole of ferrous iron that is oxidized. KEYWORK Acid mine drainage, sulfuric acid, pyrite, oxidation rate, ferrous ion. INTRODUCCIÓN La unidad minera “La Guitarra” se localiza en la porción suroeste del Estado de México, a 6 km de la población de Temascaltepec. Las coordenadas geográficas donde se ubica son: 19° 02’ 14” de latitud norte y 100° 02’ 47” longitud oeste; y se halla a 2200 metros sobre el nivel del mar. Limita al norte con Valle de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 63 �Cinética de oxidación de la pirita, subproducto ácido del drenaje de la mina La Guitarra /Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. inevitable de drenaje ácido producido principalmente y de manera natural por el fierro en forma de pirita (FeS2). El drenaje ácido de mina (AMD) es uno de los más serios y costosos problemas ambientales de la industria minera en el presente.1 Fig. 1. Mapa geológico del distrito de Temascaltepec:2,3 SMO = Sierra Madre Occidental, SMS= Sierra Madre del Sur, FVTM = Faja Volcánica Trans-Mexicana. Bravo, Amanalco de Becerra y Zinacantepec; al sur con San Simón de Guerrero, Tejupilco y Texcaltitlán; al oriente con Zinacantepec y Coatepec Harinas y al poniente con Zacazonapan.1 El distrito minero de Temascaltepec2,3 (figura 1), contiene numerosas vetas de Ag-Au del tipo epitermal de baja sulfuración. Estos depósitos epitermales están relacionados con la actividad hidrotermal asociada a manifestaciones volcánicas y subvolcánicas. En esta zona, las rocas volcánicas ácidas, se encuentran parcialmente cubiertas por las rocas de la Faja Volcánica Trans-Mexicana (FVTM).3 Las estructuras existentes en la mina “La Guitarra” son de forma tabular (vetas) con rumbo NW y echado hacia el SW y NW. Existen otros afloramientos de importancia pero es “La Guitarra” la veta principal, la cual aflora a lo largo de 5 km y sus espesores varían de 2 a 15 m. Este yacimiento está constituido por minerales de oro, plata, plomo, fierro, zinc y cobre. En esta zona, en la actualidad se presenta una intensa actividad minera en cuatro niveles (San Rafael, Amelia, San Francisco y la Cruz), por lo cual podría originar una situación crítica respecto a la generación descontrolada e 64 Drenaje ácido de mina El proceso ARD ocurre en forma natural, el cual es conocido por geólogos desde hace tiempo como un proceso supergénico formado por aguas descendentes o por enriquecimiento descendente como se muestra en la figura 2. En la superficie, trazas de ARD pueden ser percibidas por las manchas rojas de óxido férrico / hidróxido o de ocre (mezcla de arcilla con óxido férrico hidratado) a bajos valores de pH.4 Como se indica en la figura 2, el enriquecimiento supergénico se da cuando el hierro es liberado de los sulfuros previamente ocupando la zona lixiviada. El hierro es transportado hacia arriba y precipitado en el gozzan (depósito ferruginoso de relleno de las partes superiores de las vetas o de cubierta superficial sobre masas de pirita, generalmente de óxido de hierro). Otros metales son transportados hacia abajo del nivel freático, en la zona enriquecida. Los principales puntos generadores del AMD son: drenaje debido a obras subterráneas; escurrimiento superficial por explotación a cielo abierto; residuos de mineral depositados en terreros; residuos debidos a la explotación de minas de carbón (alto contenido de azufre); presas de jales; lixiviados de desmontes de minas (terreros, depósitos, etc.); y, exposición natural de las rocas conteniendo sulfuros.4 Fig. 2. Proceso de enriquecimiento supergénico. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Cinética de oxidación de la pirita, subproducto ácido del drenaje de la mina La Guitarra /Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Oxidación de la pirita El disulfuro de hierro se presenta en dos formas, pirita y marcasita (FeS 2). La pirita es cristalográficamente isométrica, mientras que la marcasita es ortorrómbica. La marcasita es conocida a la intemperie más fácilmente que la pirita.5 Bajo condiciones de intemperismo la pirita se oxida para formar ácido sulfúrico, liberándose el ion ferroso: 2FeS2(S)+2H2O+7O2=4H++4SO42-+2Fe2+ (1) El ion ferroso puede aún oxidarse para formar el ion férrico y precipitar como hidróxido férrico (o guetita, jarosita) siguiendo estas reacciones: 4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O Fe3++2H2O=Fe(OH)3(S)+3H+ (2) La reacción de oxidación total de la pirita puede ser escrita como sigue: FeS2(S)+15/4O2+7/2H2O=Fe(OH)3(S)+4H-+2SO42(3) 6 Singer y Stumm, propusieron el desarrollo de la reacción de oxidación total en cuatro etapas (a, b, c y d) tal como se observa en la figura 3. Rapidez de oxidación de la pirita Como se observa en la figura 3, hay dos agentes disponibles conocidos en forma natural para la oxidación de la pirita: ion férrico y oxígeno. Si el pH es menor que 3.5, cantidades significativas de ion férrico (Fe3+) pueden existir en solución. A pH más altos, el precipitado de hidróxido férrico se remueve de la solución. Si la concentración de sulfatos es suficientemente alta, el ion férrico puede también ser removido de la solución ácida por precipitación de minerales de hierro sulfatados como la jarosita (sulfato hidratado de hierro y potasio) y coquimbita (sulfato férrico hidratado). Sin embargo, estos minerales sulfatados tienen altas solubilidades. Fig. 3. Oxidación de la pirita. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 Hay varios factores que afectan la rapidez de oxidación de la pirita y por tanto el control de la generacion ácida: • Área superficial de exposición. Ésta es una de las variables más importantes que controlan la rapidez de oxidación.7 Al disminuir el tamaño de partícula se incrementa la velocidad de reacción. Hay una relación lineal entre el tamaño de partícula y la velocidad de reacción. • pH y concentración de oxígeno. La concentración de oxígeno afecta la oxidación de la pirita. La siguiente relación empírica muestra la velocidad de oxidación de la pirita en la que se relacionan el pH y la concentración de oxígeno:8 Velocidad = 10-8.19[O2]0.5/[H+]0.11 Donde [O2] y [H+] son las concentraciones de oxígeno e hidrógeno en la solución. • Concentración del ion férrico. La velocidad de oxidación de la pirita por Fe3+ depende de la presencia de oxígeno en la solución. Con una alta relación Fe3+/Fe2+ y en presencia de oxígeno la velocidad de oxidación se incrementa.8 El ion férrico es más efectivo en la oxidación de la pirita que el oxígeno según indica la figura 4. Esto puede ser debido a que el ion férrico puede unirse directamente a la superficie de la pirita realizándose más fácilmente la transferencia de electrones.9 Además, las especies intermedias oxidantes del azufre como el ion sulfoxilo (S2O32-) es más fácilmente oxidado por el ion férrico que por el oxígeno.9 • Temperatura y energía de activación química. Requerida para iniciar la generación ácida. Es importante recordar que la oxidación de la pirita produce una fuerte reacción exotérmica, por lo Fig. 4. Rapidez de oxidación y su dependencia con la relación Fe3+/Fe2+. 65 �Cinética de oxidación de la pirita, subproducto ácido del drenaje de la mina La Guitarra /Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. que esta velocidad de reacción está vinculada con la ecuación de Arrhenius. • Actividad bacteriológica. Las bacterias Thiobacillus ferrooxidans y Ferrobacillus ferrooxidans utilizan la energía de la oxidación de sulfuro a sulfato y del ion ferroso a ion férrico para su metabolismo. En realidad, las bacterias no oxidan la pirita directamente, pero sí remueven las especies reducidas de sulfuros y al ion ferroso para la oxidación.10 La velocidad de oxidación del ion ferroso es directamente proporcional a la concentración de bacterias.11 METODOLOGÍA Para este estudio, se efectuó la caracterización del AMD, tomando muestras compuestas durante 24 horas (cada hora), durante un solo día. También, se llevaron a cabo aforos a fin de estimar el gasto medio en la descarga de AMD. Se midió en campo el pH y la temperatura del drenaje ácido. La precipitación del hidróxido de fierro se efectuó mediante ensayos de prueba de jarras, neutralizadas al pH óptimo y con aireación constante. Para determinar la concentración de sólidos suspendidos (SS) a diferentes pH, se realizaron pruebas de sedimentación con un tiempo de duración de 1 hora. Todas las pruebas se realizaron con la adición del polímero MAFLOC 900® (CQT900) preparado al 0.01%, y en algunas pruebas se efectuó solamente con la adición de cal. Para la determinación de la velocidad de oxidación, se tuvo que determinar la constante de velocidad “k” a partir de una gráfica de log Fe vs el tiempo.12 Para ello se tuvieron que llevar a cabo pruebas con muestras de AMD agregándole álcali hasta alcanzar el pH óptimo (6.5), con aireación constante. Durante el tiempo de la prueba, se estuvieron recogiendo muestras para analizar la concentración del ion ferroso. La oxidación del ion ferroso es una reacción de primer orden con respecto a la concentración del mismo. Entonces la velocidad de reacción puede ser expresada como: -d(Fe2+)/dt=k(Fe) (4) 2+ donde (Fe ) es la concentración del ion ferroso y “k” es la constante de velocidad de oxidación. La forma integrada de la ecuación es: Fe=Feoe-kt (5) donde Feo es la concentración inicial del ion ferroso y Fe es la concentración del ion ferroso a un tiempo cualquiera “t”. Estos datos graficados contra al tiempo generan una línea recta cuya pendiente multiplicada por 2.303 da la constante “k”: Tabla I. Caracterización del AMD. Parámetros NORMA (NMX-AA) pH (sin ajuste) pH 6 pH 7 pH 8 Sólidos totales (mg/L) 034-1981 5135 3950 4100 3320 Sólidos disueltos totales (mg/L) 020-1981 980 920 1910 1330 Sólidos suspendidos totales (mg/L) 034-1981 4155 3030 2190 1990 Sólidos sedimentables (mL/L) 004-1981 14 29 33 33 Sulfatos (mg/L) 074-1981 199.6 193.3 196.7 198.7 Arsénico (mg/L) 051-1981 0.0178 0.003 0.0014 0.0006 Bario (mg/L) 051-1981 0.152 0.184 0.221 0.267 Cadmio (mg/L) 051-1981 0.636 N.D N.D N.D Cobre (mg/L) 051-1981 0.634 N.D N.D N.D Fierro (mg/L) 051-1981 72.6 3.40 0.405 N.D Mercurio (mg/L) 051-1981 0.0036 0.0012 0.0014 0.006 Plata (mg/L) 051-1981 N.D 0.008 N.D N.D Plomo (mg/L) 051-1981 1.112 N.D N.D N.D Zinc (mg/L) 051-1981 3.22 5.75 2.22 0.198 N.D (No detectado) 66 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Cinética de oxidación de la pirita, subproducto ácido del drenaje de la mina La Guitarra /Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. -k=pendiente x 2.303 Una vez determinada la constante “k”, el tiempo requerido para la oxidación del ion ferroso, se define con la siguiente ecuación: t = (1/k) x 2.303 Log (Fei)/(Fef) (6) donde Fei y Fef son las concentraciones del ion ferroso inicial y final respectivamente. RESULTADOS De acuerdo a los aforos realizados, se obtuvo el gasto medio de descarga de AMD de 4 L/s (345.6 m3/d). El pH y la temperatura del drenaje ácido, estuvieron en un rango de 1.8 a 2.9 y de 17.5°C respectivamente. La caracterización a diferentes pH, se detalla en la tabla I. Como se observa en la tabla I, los SST (sólidos suspendidos totales) disminuyen al irse neutralizando el agua ácida, también así, la concentración del ion ferroso, el cual se precipita en forma de hidróxido de fierro [Fe(OH)3(S)]. Nótese también la presencia de metales pesados en el AMD, los cuales representan un peligro si se descargan directamente en cuerpos de agua. La planta de beneficio de la unidad minera “La Guitarra” recupera estos metales a través de un sistema de flotación, que requiere un pH de 6 a 7 en el agua de alimentación, adicionando colectores y espumantes, con los cuales se forma una espuma ricamente cargada de compuestos organometálicos, los cuales se concentran por espesamiento en una etapa de filtración, para luego ser secados. La precipitación del hidróxido de fierro, se optimizó con la prueba de jarras, cuyos resultados promedio de varias pruebas, se detallan en la tabla II, resultados que nos permitieron igual, establecer el pH óptimo para neutralizar el AMD el cual fue de 6.5. La evolución de pruebas de sedimentación con un tiempo de duración de 1 hora a los diferentes pH, se detallan en la figura 5. En las curvas de sedimentación mostradas en la figura 5, se observa cómo va disminuyendo la concentración de sólidos a través de las interfases en función del tiempo, lo cual se acentúa mayormente cuando se neutraliza el AMD (pH de 6, 7 y 8). Conforme se aumenta la concentración del agente neutralizante (cal) la concentracion de SS y por tanto la de Fetotal (el cual se elimina como precipitado) decrecen, llegando este último hasta cero a un pH de 8 (oxidación completa), mientras que los SS se eliminan en un 48%. Fig. 5. Curvas de sedimentación en muestras de AMD. Tabla II. Resultados de prueba de jarras. Vaso Cal (mg/L) Polímero Tiempo de formación Velocidad de (mg/L) de flóculos (seg) sedimentación (min) Resistencia Turbiedad (UTN) pH 1 0 1 62 >20 Se rompe Se rompe 10 3.5 2 0 2 40 >20 Se rompe 4 3.5 3 0 3 35 >20 Se rompe 4 3.6 4 0 4 29 >20 Se rompe 3 3.6 5 0 5 25 >20 Se rompe 0.5 3.6 6 0 6 20 >20 Se rompe 0.5 3.7 7 50 1 5 5 Se rompe 0.4 6.0 8 52 1 1 3 No se rompe 0.3 6.5 9 56 1 1 3 No se rompe 0.3 7.0 10 100 1 1 2 No se rompe 0.2 8.0 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 67 �Cinética de oxidación de la pirita, subproducto ácido del drenaje de la mina La Guitarra /Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Considerando entonces que no hay una oxidación completa del ion ferroso sino de sólo el 70% para el pH óptimo de 6.5, se calculó el oxígeno requerido en base a este porcentaje de oxidación, el cual fue de 0.105 kg O2/h. Por último, el tiempo requerido para la oxidación del ion ferroso se calculó en aproximadamente 4 minutos con base en la velocidad de reacción y la determinación de la constante de velocidad “k” la cual fue de 1.01. La constante “k” fue calculada con base a la pendiente de la recta (-0.44) mostrada en la figura 6, y el tiempo de oxidación con base a la ecuación 6. En la figura 6 se observan los resultados de la concentración del ion ferroso con respecto al tiempo desde el pH inicial del AMD de 2 hasta el pH de neutralización óptimo de 6.5. La concentración inicial del ion ferroso fue de 72.6 mg/L (pH=2) y la concentración final fue de 1.86 mg/L (pH =6.5). CONCLUSIONES El ion ferroso cuando es expuesto al oxígeno, se oxida a ion férrico a una velocidad determinada por la concentración del ion ferroso, la concentración de oxígeno disuelto y el pH del AMD. A pH mayor de 6, la reacción ocurre de acuerdo a la siguiente ecuación: -d (Fe2+)/dt=k(Fe2+)(O2)(OH-)2 El tiempo de 4 minutos requerido para la oxidación del ion ferroso, con base en la velocidad de reaccion y la determinación de la constante de velocidad “k” la cual fue de 1.01, fue observado durante las pruebas de jarras, en las que para alcanzar la neutralización a un pH de 6, el tiempo fue de 3 minutos y para un pH de 7 fue de 4 minutos. Fig. 6. Gráfico para la determinación de la constante de velocidad “k”. 68 La reacción es de primer orden con respecto a las concentraciones del ion ferroso y el oxígeno disuelto; esto indica, que la velocidad de oxidación disminuye al disminuir cualquier concentración. También, la reacción es de segundo orden con respecto al ión hidróxido para pH mayores de 6. Así, la velocidad de oxidación del ion ferroso puede ser clasificada como extremadamente lenta a pH menor de 3, lenta en el intervalo de 3 a 6, moderadamente rápida a cualquier pH entre los valores de 6 y 8, y rápida arriba de 8. La relación estequiométrica de la oxidación de la pirita mostró que 1 kg de oxígeno oxida 7 kg de ion ferroso. Durante esta oxidación e hidrólisis, 1 mol de acidez (como ácido sulfúrico) es formado por cada mol de ion ferroso oxidado. Según los resultados obtenidos, el proceso de neutralización convencional puede ser una opción viable para el AMD, el cual ya neutralizado, puede ser utilizado en la planta de beneficio de la unidad minera “La Guitarra”, ya que para el proceso de flotación primaria se requiere un pH de 6 a 7 en el agua de alimentación. REFERENCIAS 1. Espinosa, M. A., (1997). Diseño de una planta de tratamiento para el drenaje ácido de una mina en el Estado de México. Tesis de maestría en ingeniería ambiental. IIC-UANL. 2. Bernal, F., Díaz, R., García, P. (1980). Informe del proyecto Reserva Minera Nacional Temascaltepec (Au, Ag, Pb, Zn); Municipio de Temascaltepec (1a etapa): México, Consejo de Recursos Minerales, Reporte Interno. 3. Camprubi, A. (2003). Geoquímica de fluidos de los depósitos epitermales del sureste del Distrito de Temascaltepec, Edo. de México. Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, 20(2), 107123. 4. Glader, C., Asmund, G., Stjl, F v.d., (1996): Natural zinc elevations in Arctic water bodies. In Ciccu, R. (De.) proceedings, SWEMP 96, Environmental Issues and Waste management in Energy and Mineral Production. Grafiche Galeati, Imola, Italy, 811-817. 5. Mason, B. and Berry, L.G., (1968): Elements of mineralogy. W.H. Freeman and Company, San Francisco. 550 pp. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Cinética de oxidación de la pirita, subproducto ácido del drenaje de la mina La Guitarra /Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. 6. Singer, P.C and Stumm, W., (1970): Acid mine drainage: the rate determining step. Science 167, 1121-1123. 7. Nicholson, R.V. and Scharer, J.M., (1994): Laboratory studies of pyrrhotite oxidation kinetics. In Alpers, C.N. and Blowes, D.W. (Eds) Environmental geochemistry of sulfide oxidation. Am. Chem. Soc. Symp. Ser. 550, 14-30. 8. Williamson, M. and Rimstidt, J. D., 1992. Thye kinetics of aqueous pyrite oxidation by ferric iron and dissolved oxygen. Poster, Am. Chem. Soc. 204th National Meeting, Washington, D.C. 9. Luther, G.W. III, (1987): Pyrite oxidation and reduction. Molecular orbital theory consideration. Geochim Cosmochim. Acta 51, 31-93. 10. Stumm, W. and Morgan, J.J., (1981): Aquatic chemistry. 2nd. edition. John Wiley & sons, New York. 780 pp. 11. Pesci, B.D., Oliver, J. and Wichalcz, P., (1989): An electrochemical method of measuring rate of ferrous to ferric iron with oxygen in the presence of Thiobacillus ferrooidans. Biotech and Bioengr.. 33, 428. 12. Wilmoth, R. C., Kennedy, J. L., and Hill, R. D., (1975). Observations on iron oxidation rates in acid mine drainage treatment plants. Fifth symposium on coal mine drainage treatment research. Louisville, Kentuchy. USA 19 2ª. REUNIÓN PANAMERICANA E IBÉRICA DE ACÚSTICA 160th ASA meeting 7° Congreso FIA 17° Congreso IMA 15 – 19 de Noviembre 2010 CANCÚN - MÉXICO ÁREAS TÉCNICAS 1. Acústica Oceanográfica 2. Bioacústica Animal 3. Acústica Arquitectónica 4. Ultrasonido y Vibraciones Biomédicas 5. Ingeniería Acústica 6. Acústica Musical 7. Ruido y su Control 8, Acústica Física 9. Acústica Fisiológica y Psicológica 10. Comunicación Hablada 11. Acústica y Vibraciones Estructurales 12. Acústica Submarina 13. Proceso de Señales Acústicas 14. Acústica en Educación 15. Audio-Acústica, etc. COMITÉ ORGANIZADOR James West (ASA), Co-Chair Sergio Beristain (IMA) Co-Chair Samir Gerges (FIA) Co-Chair Charles Schmid, Vice-Chair Rebeca de la Fuente, Programa Cultural ACOUSTICAL SOCIETY OF AMERICA Suite INOI, 2 Huntington Quadrangle Melville, NY 11747-4502, USA Tel. 516-576-2360 - FAX 516-576-2377 asa@aip.org http://asa.aip.org FEDERACIÓN IBEROAMERICANA DE ACÚSTICA Universidad Federal de Sta. Catarina Cx Postal 476 Florianópolis SC 88040900 Brasil Tel. 55-48-234-4074 - FAX 55-48-331-9677 fia@mbox1.ufsc.br http://fia.ufsc.br INSTITUTO MEXICANO DE ACÚSTICA P.O. Box 12-1022, México, D.F. 03001, México Tel. 52-55-5682-2830, 5682-5525 sberista@gmail.com http://acustica-cancun.blogspot.com Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 69 �Eventos y reconocimientos I. PREMIO DE INVESTIGACIÓN UANL 2010 El 10 de septiembre se llevó a cabo la Sesión Solemne del Honorable Consejo Universitario, dentro de la que se hizo entrega de los Premios de Investigación UANL 2010. El Dr. Azael Martínez de la Cruz, el Dr. Enrique M. López Cuéllar, el M.C. Sergio A. Obregón Alfaro y la L.Q.I. Karen H. Lozano Rodríguez, miembros del Posgrado de la FIME, recibieron el reconocimiento en el Área de Ingeniería y Tecnología por su trabajo, “Fotocatálisis heterogénea como herramienta tecnológica para la purificación de aguas residuales: caracterización fotocatalítica de molibdatos de bismuto activos a la radiación visible y aplicación en película delgada”, del cual se publica un artículo en este número de Ingenierías. En la categoría de Ciencias Exactas se reconocieron dos trabajos: “Brechas acústicas en arreglos lineales de dipolos magnéticos” desarrollado por el Los Investigadores de la FIME-UANL reconocidos con el Premio de Investigación UANL 2010, acompañados por el director de la misma, durante la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL. 70 Lic. Francisco Javier Sierra Valdez y el Dr. Carlos Ruiz Suárez de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, y “Desarrollo de semiconductores con estructura tipo perovskita para purificar agua mediante tecnología de oxidación avanzada” efectuado por la Dra Leticia M. Torres Martínez, el Dr. Arquímedes Cruz López, el Dr. Isaías Juárez Ramírez y la Dra. Xiomara García Montelongo, de la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. II. PROFESORES EMÉRITOS DE LA UANL La normatividad universitaria establece como una distinción especial el nombramiento de Profesor Emérito a quien haya desempeñado de forma meritoria su labor docente o realizado actividades de investigación de valía excepcional, en este 2010 la Los recién nombrados profesores eméritos, el Dr. Benjamin Limón Rodríguez y el M.C. Manuel Amarante con el Gobernador del Estado de Nuevo León, Lic. Rodrigo Medina De La Cruz y el Rector de la UANL, Dr. Jesús Áncer Rodríguez. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Eventos y reconocimientos UANL nombró profesores eméritos en áreas afines a la ingeniería al M.C. Manuel Amarante Rodríguez, profesor de la FIME-UANL y al Dr. Benjamín Limón Rodríguez, de la Facultad de Ingeniería Civil y miembro del Consejo Editorial de la Revista Ingenierías. III. NUEVO MIEMBRO DE LA HONORABLE JUNTA DE GOBIERNO Durante la Sesión Solemne del H. Consejo Universitario de la UANL del 10 de septiembre de 2010 se entregó al M.C. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza, una Medalla y un Diploma de Reconocimiento por la labor desarrollada durante más de una década como integrante de la H. Junta de Gobierno durante el periodo 1999 - 2010. Además se le tomó protesta al M.C. Marco Antonio Méndez Cavazos como nuevo integrante de la misma, para el periodo 2010 -2021. Ambos son profesores de la FIME-UANL. El M.C. Marco Antonio Méndez Cavazos tomando protesta como nuevo Miembro de la H. Junta de Gobierno de la UANL. IV. TOMA DE PROTESTA DE NUEVO COMITÉ EJECUTIVO DE LA AMIME El jueves 26 de agosto de 2010, se llevó a cabo la toma de protesta del Comité Ejecutivo de la Asociación Mexicana de Ingenieros Mecánicos y Electricistas (AMIME) A.C. para el periodo 2010-2013. El comité directivo quedó formado por la Ing. Lilia Coronel Zamora, Presidente; el Ing. Jaime Aguirre Sánchez, Vicepresidente Ejecutivo; el Ing. Luis Arturo Flores Hernández, Secretario; el Ing. Alfredo Huerta Guerra, Tesorero; el Ing. Jorge Benjamín Cárdenas Jáuregui, Vicepresidente de Ing. Mecánica; el Ing. Saúl Treviño García, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 Miembros del Comité Ejecutivo Nacional de AMIME para el periodo 2010-2013. Vicepresidente de Ing. Eléctrica; el Ing. Sergio López Lizárraga, Vicepresidente de Atención a Secciones y el Ing. José Luis Mejía Hernández, Vicepresidente de Ing. Especializada. V. INAUGURACIÓN DEL TÚNEL DE LA CIENCIA La Universidad Autónoma de Nuevo León, en sinergia con la Sociedad Max Planck de Alemania, trajo a Monterrey la exposición itinerante “El Túnel de la Ciencia”, inaugurada el 11 de septiembre en las instalaciones de la Nave Lewis del Parque Fundidora. El Rector de la Máxima Casa de Estudios, doctor Jesús Áncer Rodríguez, encabezó el acto de apertura, acompañado por representantes del Gobierno del Estado de Nuevo León, así como del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), y del gobierno germano. La exposición diseñada e implementada por la sociedad Max Planck, exhibe más de 300 imágenes y 180 videos distribuidos en 12 salas dónde se explican desde el origen del universo hasta los misterios del cerebro humano y el desarrollo de las telecomunicaciones. Inauguración del Túnel de la Ciencia en la Ciudad de Monterrey, N.L., México, el 11 de septiembre de 2010. 71 �Eventos y reconocimientos VII. XVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM Del 22 al 24 de septiembre de 2010 la FIMEUANL fue la sede del XVI Congreso Internacional Anual de Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica (SOMIM). La ceremonia inaugural estuvo encabezada por el Dr. Jaime Cervantes de Gortari, Presidente de SOMIM, el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, el Ing. Vicente Borja Rodríguez, Vicepresidente de SOMIM. El evento fue inaugurado por el Dr. Jaime Parada Ávila, Director General del Instituto de Innovación y Transferencia de Tecnología de Nuevo León, en representación del gobernador Lic. Rodrigo Medina De la Cruz. Durante el evento se ofrecieron 5 conferencias magistrales, se presentaron casi 200 ponencias, 3 cursos cortos, y una mesa redonda. Durante la clausura se tomó protesta al nuevo Consejo Directivo de SOMIM y se efectuó la invitación al próximo congreso a realizarse en San Luis Potosí. El Dr. Jaime Cervantes De Gortari dando el discurso inaugural del XVI Congreso Internacional Anual de SOMIM. El Comité Directivo de SOMIM acompañado por autoridades e invitados distinguidos durante la inauguración de su congreso anual 2010. 72 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Junio 2010 - Agosto 2010 Deyanira Peña Salazar, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Examen por materias), 1 de junio de 2010. Faride Ancer García, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Telemática, Proyecto corto: Confiabilidad en red de fibra óptica a través de equipos SDH , 3 de junio de 2010. Nancy Solís García, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Estudio de costos lagrangianas para el problema de asignación generalizada”, 18 de junio de 2010. Marianela Calderón Pánuco, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 21 de junio de 2010. David Roberto Valenzuela Vega, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Optimización de la trayectoria de un agente con medidas de desempeño asociados”, 7 de junio de 2010. Joaquín Huante Hernández, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, (Examen por materias), 23 de junio de 2010. Evanivaldo Rivelino Medina Ruiz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 11 de junio de 2010. Oscar René Cavazos Ramos, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Observador de estados con diferenciadores máximamente lisos”, 24 de junio de 2010. Mireya Isabel Sánchez Velázquez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Modelo multiobjetivo para la selección de proyectos sociales”, 11 de junio de 2010. Gilberto Javier Tenorio Rodríguez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Modelo lineal entero mixto para la selección de proyectos de servicios de investigación y desarrollo (I&D) en organizaciones públicas”, 11 de junio de 2010. Marco Antonio Alvarado Meza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la temperatura de transformación Ms y microestructura en un acero inoxidable martensítico con 0.12% C mediante análisis térmico”, 17 de junio de 2010. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 María Teresa de Jesús Aguilar Hinojosa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Auditoría de procesos uda 6.3”, 25 de junio de 2010. Benjamín Zamudio Barrera, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable, “Metodología para la aplicación de aislamientos térmicos para viviendas mexicanas”, 25 de junio de 2010. Ana Laura Salman Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “Educación ambiental para el nivel medio superior”, 25 de junio de 2010. 73 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Daniel González Morón, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Estudio del crecimiento de grano en la superaleación haynes h – 230”, 25 de junio de 2010. Jabneel Rocio Maldonado Flores, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Un método de búsqueda tabú con oscilación estratégica para la optimización de diseño de zonas de recolección de aparatos electrodomésticos”, 16 de julio de 2010. Yadira Isabel Silva Soto, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Planeación justo a tiempo: soluciones óptimas mediante reformulaciones convexas”, 30 de junio de 2010. Nidia Lizzeth Gómez Duarte, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Efectos estructurales en la sincronización de sistemas”, 19 de julio de 2010. Brenda Berenice Dávila González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Finanzas, “Análisis de costos de producción y proceso de certificación de sir de México”, 6 de julio de 2010. Sara Judit Olivares González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 21 de julio de 2010. Luzema Elizabeth González Torres, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Examen por materias), 6 de julio de 2010. Martha Erika Zubia Rivera, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, “Abastecimiento”, 30 de julio de 2010. Nereyda González Solís, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 8 de julio de 2010. José Ángel Gaitán Sandoval, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 4 de agosto de 2010. Andrea Medina Salazar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 9 de julio de 2010. Melissa Osorio Peña, Maestría en Ingeniería con orientación en Telemática, (Examen por materias), 9 de agosto de 2010. Diana Estela Santos Lozano, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 9 de julio de 2010. Jorge Enrique Valdez Calvillo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 9 de julio de 2010. Mónica Gpe. Elizondo Amaya, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Un esquema de acotamiento dual para un problema de diseño territorial”, 15 de julio de 2010. Emilio Antonio Peña Barrera, Maestría en Ingeniería con orientación en Telemática, (Examen por materias), 15 de julio de 2010. Carlos Antonio Chapa Arizpe, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Examen por materias), 16 de julio de 2010. 74 María de Jesús Osorio Peña, Maestría en Ingeniería con orientación en Telemática, (Examen por materias), 9 de agosto de 2010. José Hilario García Duarte, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Influencia del Mn en la cinética de transformación de los intermetálicos β-AlFeSi α-Al12(FeMn)Si en las aleaciones Al-Mg-Si”, 9 de agosto de 2010. Víctor Manuel Vázquez Cruz, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Rediseño de una aleación de cobre libre de plomo”, 9 de agosto de 2010. Jorge Arturo García Azuara, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 9 de agosto de 2010. Mario Alberto López Vega, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Control Automático, “Diseño de controladores robustos mediante el concepto de estabilidad relativa”, 13 de agosto de 2010. Paola Gpe. Gómez López, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Nanocompósitos bifuncionales magnético-luminiscente de óxido de hierro en un polímero semiconductor”, 13 de agosto de 2010. César Xavier Robles Palomares, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Determinación de cotas frecuenciales de raíces de polinomios característicos de sistemas LTI con incertidumbre paramétrica”, 13 de agosto de 2010. Estefanía Montserrat Martínez Balderas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 13 de agosto de 2010. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 Luis Humberto Rodríguez Alfaro, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Respuesta en frecuencia en sistemas no lineales”, 13 de agosto de 2010. Humberto Servando Garza Macías, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 18 de agosto de 2010. Samuel José Arriaga Samaniego, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, “Evaluación de proyecto de inversión”, 20 de agosto de 2010. Gloria Griselda de la Garza Ramos, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “La calidad en difusión cultural de una preparatoria”, 23 de agosto de 2010. Thania Carolina Cázares Huerta, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Examen por materias), 25 de agosto de 2010. 75 �Acuse de recibo REVISTA EIC INDUSTRIA DEL CONOCIMIENTO La revista trimestral EIC es editada y publicada tanto en versión impresa como electrónicamente por OFFICE TRADING S.A.C.; y opera como un órgano de difusión sobre temas relevantes en ingeniería. El objetivo de la publicación es dar a conocer las innovaciones en las áreas de energía, industria y construcción y disciplinas relacionadas. Además de la publicación de artículos de divulgación, la revista EIC realiza la difusión de eventos internacionales que se organizan en países se habla hispana. Así, desde 2002, esta publicación hace difusión del Simposio Iberoamericano sobre Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia, que co-organizan la UANL y la CFE bianualmente en la ciudad de Monterrey. El número 55 de la revista EIC de abriljunio incluye un artículo sobre la aplicación de aerogeneradores de pequeña potencia en entornos habitacionales, seguridad contra incendios y un análisis de contingencias en sistemas eléctricos de potencia. La revista puede ser consultada en línea en el sitio web www.revistaeic.com. (EVM) En el número de septiembre de 2010 de esta publicación mensual (ISSN 1873-4581) se presenta como motivo de portada “Urbes verdes, su normatividad y lo hecho en México” para dar entrada a una sección titulada “Consultores verdes”. La sustentabilidad es un término de moda en nuestros días y puede dar cierto atractivo al número, pero los artículos son muy breves y tienen muy poca profundidad siendo más apropiados para un boletín con notas sobre eventos, entrevistas y comentarios, que para una revista informativa. Sin embargo sobresalen detalles como los que brinda el artículo “Dos rayitas de menos, estrés y comunicación organizacional” que aborda un punto interesante que pudo haber merecido mayor extensión y que es un problema vigente, no solo entre consultores sino también entre ingenieros, sobre la importancia de la buena comunicación. La revista en general hace promoción a las actividades de consultoría y se puede consultar en www.revistaconsultoria.com.mx . 76 (JAAG) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Colaboradores Arteaga Balderas, Edgar Amauri Ingeniero Civil (1990), M.C. en Ingeniería Ambiental (1992) y M.C. en Hidrología Subterránea (1995) por la UANL. Candidato a Doctor en el Programa de Doctorado en Ingeniería en el Centro Interamericano de Recursos del Agua (CIRA) de la Facultad de Ingeniería Civil de la U.A.E.M. Catedrático en licenciatura de Ingeniero Civil desde 1992 y en la maestría de Ingeniería Ambiental desde 1996, ambos de la FIC-UANL. Cienfuegos Peláez, René Fabián Ingeniero Mecánico Electricista de la Facultad de Ingeniería de la UNAM (1994). Maestría en Ingeniería Energética de la Facultad de Ingeniería de la UNAM (1997). Doctorado de la Universidad Paul Sabatier con especialidad en celdas de combustible (2008). Actualmente es profesor-investigador de la FIME-UANL. Es miembro candidato del SNI. Chávez Guerrero, Leonardo Ingeniero Mecánico Metalúrgico (2001) y Maestro en Ingeniería de Materiales (2004) por la FIME-UANL. Doctorado en Nanociencias y Nanotecnología (2008) por el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICyT). Actualmente es profesor investigador de la FIME y el CIIDIT. Premio Mejor Tesis de licenciatura de la UANL (2001). Premio Estatal de la Juventud N.L. 2003 y 2007. Premio Desarrollo Rural sustentable S.L.P. 2006. Espinosa Rodríguez, Miguel Ángel Ingeniero Químico Industrial (1987) por la UAN. M.C. en Ingeniería Ambiental (1997) por la UANL. Actualmente estudia un Doctorado en el Centro Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 Interamericano de Recursos del Agua (CIRA) de la Facultad de Ingeniería de la UAEM. Es catedrático de la UAN desde el año 2000. García Gutiérrez, Domingo Ixcóatl Ingeniero Físico Industrial (2001) del ITESM campus Monterrey. Maestría en Ciencias de la Ingeniería (2004) y Doctorado (2006), ambos en Ciencia e Ingeniería de los Materiales por la Universidad de Texas en Austin. Actualmente es profesor-investigador de la FIME-UANL. Es miembro del SNI, nivel 1. García Montelongo, Xiomara L. Licenciatura (2006 ) y M.C. con especialidad en Ingeniería Ambiental (2009) por la FIC-UANL. Premio a la Mejor Tesis en Ingeniería Ambiental 2009, nivel maestría. Actualmente es alumna del Doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Garza Navarro, Marco Antonio Ingeniero Mecánico Electricista y M.C. en Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (2006) y Doctorado en Ingeniería de Materiales (summa cum laude ) por la FIME-UANL (2009). Premio de Investigación UANL 2009. Actualmente es profesorinvestigador de la FIME-UANL. González Torres, Liborio Ingeniero Químico Industrial (1979 ) y M.C. en Ciencias Ambientales (2005) por la UAN. Catedrático de la UAN desde 1996. Juárez Ramírez, Isaías Licenciatura (1996) y Doctorado en Ciencias con Orientación en Ingeniería Cerámica (2004) por la 77 �Colaboradores UANL. Es miembro del SNI, nivel 1. Ha recibido 12 premios y reconocimientos a lo largo de su trayectoria. Actualmente es profesor-investigador en la FIC-UANL. López Cuéllar, Enrique Manuel Profesor Investigador del Posgrado de Materiales de la FIME desde el 2002 y además investigador del CIIDIT de la UANL a partir del 2008. Obtuvo su grado de Doctor en el INSA de Lyon de Francia en 2002. Miembro del SNI nivel 1. Lozano Rodríguez, Karen Hatzikán Licenciada en Química por la UANL (2007) y actualmente es estudiante de Maestría en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Martínez De la Cruz, Azael Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense de Madrid (1997). Ha obtenido 4 premios de investigación UANL en Ingeniería y Tecnología (1996, 1998, 2003 y 2009), 1 premio a la mejor tesis de maestría UANL como asesor (2008) y 3 premios Nacionales otorgados por el IIM-UNAM (2000) y la Sociedad Mexicana de Electroquímica (2001). Pertenece al SNI en el nivel 2. Morones Ibarra, J. Rubén Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas por la UANL. Doctorado en Física en el área de Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actualmente es catedrático de la FCFMUANL. SNI nivel I. Obregón Alfaro, Sergio Alberto Licenciado en Química Industrial por la UANL (2007). M.C. con especialidad en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL (2009). Estancia de investigación en la Universidad de Sun Moon (Corea del Sur). Actualmente estudiante de Doctorado en España. Ramírez Castillo, Alicia Marisol Ingeniera Mecánico Electricista (2004) y M.C. con Especialidad en Potencia (2007) por la UANL. Actualmente trabaja en PROLEC-GE en el Área de Diseño. 78 Rojas Sandoval, Javier Licenciado en Historia y Maestría en Metodología de la Ciencia por la UANL. Doctorado por la Universidad Iberoamericana. Profesor e investigador de la UANL. Director de la página: www. monterreyculturaindustrial.org. Miembro de The International Commitee for the Conservation of the Industrial Heritage y el Comité Mexicano para la Conservación del Patrimonio Industrial. Sánchez De Jesús, Félix Ingeniero Mecánico-Electricista por la FI-UNAM (1993). Master en Tecnología de Pinturas, Fundación Bosch i Gimpera-Universidad de Barcelona, España (1995). Doctorado en Ciencias de los Materiales Metálicos por la Universidad de Barcelona, España (1999). Actualmente es Profesor-Investigador de la UAEH desde 2000, miembro del SNI nivel 1 y líder del CA-PQFES-UAEH, PROMEP. Torres Martínez, Leticia M. Licenciatura (1976 ) por la UANL. Doctorado en Química del Estado Sólido por la Universidad de Aberdeen, Escocia en 1984. Es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias, miembro del SNI nivel III, y cuenta con reconocimiento PROMEP. Ha recibido más de 50 distinciones por organismos estatales, nacionales e internacionales. Actualmente es profesora-investigadora en la FIC-UANL. Vázquez Martínez, Ernesto Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones (1988), Maestría (1991) y Doctorado (1994) en Ingeniería Eléctrica por la FIME-UANL. Desde 1996 es Profesor Investigador del Programa Doctoral en Ingeniería Eléctrica de la UANL. En 2000 realizó una estancia postdoctoral en la Universidad de Manitoba, Canadá. Es miembro del SNI. Zambrano Cárdenas, Rosa María Licenciada en Química Industrial egresada de la UAT en 1978. M. en C. en Ciencias Ambientales egresada de la UAN en el año 2005. Desde 1978 es catedrática de la Universidad Autónoma de Nayarit. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes y convocatorias. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Se aceptarán trabajos en inglés solamente de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES En el caso de los trabajos de revisión o divulgación el autor debe demostrar que ha trabajado y publicado en el tema del artículo, debe ofrecer una panorámica clara del campo temático, debe separar las dimensiones del tema y evitar romper la línea de tiempo y considerar la experiencia nacional y local, si la hubiera. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben contener la presentación de resultados de medición acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos si son validados experimentalmente por el autor. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 un análisis de correlación para su validación. No se aceptan trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntas. LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cuatro. La extensión de los artículos no deberá exceder de 8 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 79 �10º CONGRESO INTERAMERICANO DE COMPUTACIÓN APLICADA A LA INDUSTRIA DE PROCESOS CAIP´2011 30 de Mayo al 3 de Junio de 2011 Girona - Catalunya – España ORGANIZA Universitat de Girona PATROCINAN Centro de Información Tecnológica, CIT (Chile) , Univ. Tecnológica Nacional, FRVM (Argentina), Universidad de Costa Rica (Costa Rica), Univ. de Trás-os-Montes e Alto Douro (Portugal) DIRECCIÓN DE CONTACTO Comité Organizador CAIP´2011 Universitat de Girona http://www.udg.edu/caip2011 caip2011@udg.edu Publicación trimestral arbitrada de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, dirigida a profesionistas, profesores, investigadores y estudiantes de las diferentes áreas de la ingeniería. La opinión expresada en los artículos firmados es responsabilidad del autor. No se responde por originales y colaboraciones no solicitadas. Se autoriza la reproducción total o parcial de los artículos siempre y cuando se solicite formalmente, se cite la fuente y no sea con fines de lucro. La correspondencia deberá dirigirse a: Revista Ingenierías, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL, A.P. 076 “F”, Ciudad Universitaria, C.P. 66450, San Nicolás, N.L., México. Tel: (52) (81) 8329-4020 Ext. 5854. Fax: (52) (81) 8332-0904 Correo electrónico: revistaingenierias@gmail.com , fjelizon@mail.uanl.mx , juan.aguilargb@uanl.edu.mx Página en Internet: http://ingenierias.uanl.mx Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ, Dialnet, Actualidad Iberoamericana, LivRe, NewJour. ISSN: 1405-0676 80 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 �Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 81 �CALIMET CALIMET SA SA de de CV CV Experiencia, Calidad y Servicio... SERVICIOS: ANÁLISIS QUÍMICOS Espectrometría de chispa en materiales matriz fierro, aluminio y cobre Absorción atómica Espectrómetro de Chispa Matriz: aluminio, fierro y cobre Materiales ferrosos y no ferrosos Análisis vía húmeda Grafito, cales, ferroaleaciones Combustión Determinación de %C y %S Granulometría PRUEBAS MECÁNICAS Y FÍSICAS Máquina universal Tinius Olsen Tensión y compresión Dureza Rockwell (Todas las escalas) Dureza Brinell Ensayos de impacto charpy ANÁLISIS NO DESTRUCTIVOS Ultrasonido Líquidos penetrantes Medición de espesores Partículas magnéticas Radiografía industrial (subcontratada) Durómetro Rockwell nueva generación ANÁLISIS DE FALLA Caracterización microestructural con microscopio Olympus PME3 y analizador de imagen Equipo de Absorción Atómica LABORATORIO ACREDITADO ISO/IEC 17025 Equipos verificados y calibrados de acuerdo a la Norma NMX-EC-17025-IMNC-2006. Informes de calibración y trazabilidad al CENAM y NIST. Av. Las Puentes, No. 1002-A, entre Montes de Transilvania y Av. Santo Domingo Col. Las Puentes 4to. Sector, San Nicolás de los Garza, N.L., C.P. 66460 Tels: 8353-1745, 8302-04-86, 8057-30-76, 1367-03-39, 8350-92-89, Tel/Fax: 1367-03-40 Pág. Web www.calimet.com.mx E-mail: calimet1@prodigy.net.mx, servicioalcliente@calimet.com.mx 82 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2010, Vol. XIII, No. 49 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2010 Volumen Volumen de la revista 13 Número Número de la revista 49 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2010, Vol 13, No 49, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2010 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020812 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Ácido sulfúrico Fotocatálisis heterogénea Holografía Luz coherente Nanotecnología