https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20785/Ingenierias_2014_Ano_17_No_62_Enero-Marzo.pdf 44a609affb8ec04d60f2ac4a328b7bab PDF Text Text �Contenido Enero-Marzo de 2014, Año XVII, No. 62 62 2 Directorio 3 Editorial Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI Gabriel F. Martínez Alonso 10 Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos de polipropileno y organoarcillas Edith M. Hernández Torres, Francisco J. Rodríguez-González, Virgilio A. González González, Sofía Vázquez Rodríguez 20 Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel Javier S. Acevedo Campos, Francisco J. Garza Méndez, Eduardo M. Sánchez Cervantes, José Aguirre Espinosa 29 Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cables eléctricos Edgar Adrián Franco Urquiza, Maria Lluïsa Maspoch Rulduà 39 Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos de orden reducido Eduardo Manuel Guardia Ramírez, Manuel Antonio Andrade Soto, Ernesto Vázquez Martínez 50 Evaluación de la nitrificación a través de perfiles operacionales en un reactor aerobio Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, Oscar Bravo Bolaños, José Manuel Ortega Aguirre, Antonio Hidalgo Millán 60 Eventos y reconocimientos 63 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 66 Acuse de recibo 67 Colaboradores 69 Información para colaboradores Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 1 �Ingenierías, Año XVII, N° 62, eneromarzo 2014. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de enero de 2014. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2014 revistaingenierias@uanl.mx DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA M.C. 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Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH 2 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 �Editorial: Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI Gabriel F. Martínez Alonso FIME-UANL gabrilo2009@hotmail.com “Eso de las competencias no sirve” es una frase repetida entre algunos profesores de diversos niveles educativos haciendo referencia a la tendencia actual de implementar modelos educativos en base al concepto de “competencias” en el proceso formativo de los estudiantes, en sustitución de los modelos más dirigidos a los “contenidos”. En esta tendencia se concibe a la formación universitaria como el desarrollo de recursos personales (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que permiten comprender y dar respuesta a los problemas y situaciones de la vida. Cada individuo “moviliza” los recursos de que dispone para resolver situaciones y problemas “reales”. La comparación se hace con los modelos por contenidos, más dirigidos, aunque no sea intencionalmente, a la transmisión y adquisición de conocimientos difícilmente transferibles a contextos vitales y profesionales de un entorno que puede ser complejo y cambiante. El concepto de competencia se refiere a una nueva forma de definir los resultados de un proceso de aprendizaje. Esta conceptualización depende de varios factores, entre los cuales se encuentran: el enfoque que se dé al modelo de competencias, el tipo de competencia que se pretende formar en el estudiante y el nivel de educación al que se aplique. Además su implementación en educación superior implica múltiples aspectos como el perfil de egreso, la malla curricular y los programas analíticos, por mencionar sólo algunos. Por esta razones surge una gran diversidad de definiciones de competencias que le dan al concepto una dimensión más compleja. Esa complejidad hace difícil saber a qué se refieren aquellos que descalifican a los modelos basados en competencias, podrían referirse a los aspectos, a los factores, a las definiciones o en conjunto a la simple percepción de ellas. En cualquier caso, criticar sin identificar deficiencias ni medidas, aunque es fácil, no tiene contribución. La crítica es un juicio analítico que es esencial para conocer la verdad y un análisis que permita valorar a los modelos basados por competencias exige que se tenga una noción clara sobre la razón por las que surgen nuevas tendencias en los sistemas educativos, las necesidades actuales de la sociedad y la manera en que la formación actual de los ingenieros las satisfacen. Además de lo anterior, se debe tener presente que al margen de la operación de los modelos, las definiciones de competencia tienen en común la referencia a un conjunto de conocimientos, habilidades, destrezas y actitudes que llevan Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 3 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. a resolver situaciones que se presentan a lo largo de la vida, como se puede ejemplificar con el Reglamento General de Evaluaciones de la Universidad Autónoma de Nuevo León que define como “competencia” al desempeño del estudiante entendido como la expresión concreta del conjunto de conocimientos, habilidades, destrezas, actitudes y valores que pone en juego cuando lleva a cabo una actividad. ¿Cual es la razón por la que surge esta nueva tendencia en los sistemas educativos? La respuesta a esta pregunta no es simple. Es necesario analizar las características de la sociedad actual y el éxito que los egresados de la educación superior, y en particular los de las carreras de ingeniería, tienen al entrar al mundo laboral. Los sistemas educativos siempre están en el foco de atención de toda la sociedad y sobre ellos se ejerce una enorme presión para que respondan en forma efectiva a las necesidades planteadas a los graduados de estos sistemas. Las exigencias al sistema de educación superior en particular son fuertes, ya que son sus egresados los que pasarán a la vida profesional y deberán satisfacer las necesidades de una gran parte de la planta laboral, en comparación con los egresados de secundaria o primaria que no tienen esa exigencia porque pueden continuar sus estudios en otros niveles de educación. La formación de ingenieros ocupa un lugar predominante entre todo el sistema de educación superior, tanto por el número de egresados como por su influencia decisiva en el desarrollo de la sociedad. No es casual que, según datos de la UNESCO, los países industrializados desarrollados tienen entre veinte y cincuenta científicos e ingenieros por cada diez mil habitantes, mientras que los países en vías de desarrollo cuentan con alrededor de cinco, y algunos países poco desarrollados cuentan solamente con uno o menos, por igual cantidad de habitantes. La actividad primaria de los ingenieros es concebir, diseñar, poner en práctica y explotar soluciones innovadoras (productos, dispositivos, procesos y sistemas) para mejorar la calidad de vida, satisfacer necesidades sociales o resolver problemas de su área y mejorar la competitividad y el éxito de la sociedad. El foco de atención del mundo ha cambiado desde los últimos inventos tecnológicos tales como la electrificación, la telefonía, la computadora y el automóvil, a problemas sociales más complejos y desafiantes tales como la alimentación, la salud, la energía, el acceso al agua y el cuidado del medio ambiente. Las condiciones presentes en la sociedad moderna conllevan a que aparezcan nuevas exigencias hacia los ingenieros, incluyendo la capacidad de resolver problemas que son más complejos y que tienen mayor influencia social que los que se presentaban en épocas anteriores. Por ello la formación de los ingenieros debe ser planificada y ejecutada con el objetivo de satisfacer estas exigencias, de forma que garantice equipar al estudiante con las habilidades y capacidades necesarias para trabajar satisfactoriamente, como un ingeniero profesional del siglo actual. Con mayor interés que antes, se espera que, además de su preparación científica – tecnológica, los miembros de la profesión de la ingeniería posean los criterios más altos de honestidad e integridad. La ingeniería tiene un impacto directo y vital sobre la calidad de vida para la gente, y en consecuencia los servicios 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. proporcionados por los ingenieros requieren imparcialidad y equidad, y deben ser dedicados a la protección de la salud pública, de la seguridad y del bienestar para todos. La complejidad de los desafíos modernos que afrontan los ingenieros, requiere que además su educación incluya una base sólida en asuntos como la economía, las comunicaciones y habilidades de trabajo en equipo. ¿Satisface la actual formación de ingenieros, en el mundo, las exigencias que se presentan a los egresados de estas carreras? Estudios desarrollados en varios países confirman que la actual formación de ingenieros no satisface las exigencias que se les presentan a los egresados de estas carreras. Específicamente se ha resaltado la existencia de deficiencias formativas en cuanto a la resolución de problemas y la aplicación de la teoría a los problemas reales, además de dificultades en las habilidades matemáticas. Los estudiantes expresan que no siempre son capaces de transferir conocimientos y habilidades de cursos específicos, a contextos y problemas del “mundo real”. A su vez los graduados se sienten poco preparados para hacer frente a problemas donde el trabajo a menudo involucra equipos multidisciplinarios y en el cual factores técnicos y no técnicos deben ser tenidos en cuenta con el mismo peso para la toma de decisiones. Asimismo se detectan deficiencias formativas en aspectos más generales como el trabajo colaborativo en equipos, habilidades para comunicarse en forma efectiva, para adaptarse a situaciones cambiantes, para aprender a lo largo de la vida. Por su parte los empresarios señalan dificultades para encontrar egresados de ingeniería con las características deseadas y exigidas por la sociedad globalizada y sus nuevos procesos productivos. Según datos de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OECD) en México el 42% de los empleadores señalaron, en el 2010, dificultades para encontrar personas con las competencias y habilidades exigidas para los empleos. Ante este conjunto de evidencias, incluyendo las nuevas exigencias de la sociedad moderna, la formación basada en competencias aparece como una posibilidad de reformar los sistemas educativos y por tanto la razón para que aparezcan los currículos basados en competencias en estos sistemas es que estos han sido diseñados para responder precisamente a las exigencias, destacadas anteriormente, hacia los egresados y por tanto puede resolver las áreas de oportunidad detectadas en su formación. En muchos países europeos, bajo el empuje del Espacio Europeo de Educación Superior (EEES), la enseñanza basada en competencias aparece como protagonista en la renovación del sistema educativo, por lo que se ha aplicado este tipo de currículos en diferentes niveles de educación. Australia, España, Inglaterra y más recientemente los Estados Unidos, son algunos ejemplos de aplicación de esta tendencia curricular en la ingeniería. En América Latina se han desarrollado proyectos de reforma curricular por competencias, en carreras de ingeniería, en países como Colombia, Nicaragua, Argentina, Brasil, México y Chile. Las competencias aportan un enfoque nuevo, que posibilita mejorar el aprendizaje y la calidad de los egresados de la educación superior. Si se quiere resumir los aportes que puede ofrecer los currículos basados en competencias a la formación de ingenieros, pudieran señalarse tres aspectos esenciales: 1. Plantea la enseñanza como un proceso dirigido a que el estudiante vea, estudie y participe, en la aplicación práctica de los conocimientos y habilidades Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 5 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. adquiridos, en un contexto particular, pero al mismo tiempo tomando en consideración aspectos económicos, sociales y ambientales, entre otros. 2. Centra el proceso de formación en el aprendizaje y no en la enseñanza, como se hacía tradicionalmente. No es tan importante qué se le enseña sino lo que aprendió y sobre todo lo que es capaz de hacer (desempeño), con lo que aprendió. 3. Desarrolla el proceso de enseñanza – aprendizaje a partir de actividades de aprendizaje, donde se presenten situaciones lo más cercanas a las de la práctica profesional, de manera que, para resolverlas, el estudiante, se vea obligado a mostrar un desempeño, movilizando sus recursos: conocimientos, habilidades, actitudes y valores. Aquí se reflejan aspectos como: dar a los estudiantes herramientas básicas y claves para su futuro desempeño profesional, dar un mayor sentido y utilidad social a la educación superior, preparar para la vida y para el mundo laboral, mejorar la empleabilidad de los graduados y lograr una formación más integral, que incluya no solo aspectos técnicos sino actitudes y valores como la honestidad, la responsabilidad, el trabajo colaborativo, la comunicación y otros, ya señalados como necesarios en la época actual. El currículo en base a competencias, tiene tres aspectos fundamentales: 1. El perfil de egreso, elaborado para cada plan de estudios que es donde se definen las competencias que tendrá el egresado y que deben estar acordes con las exigencias de la sociedad, en la cual desarrollarán su labor profesional los futuros ingenieros. 2. La malla curricular, que garantice que las competencias previstas en el perfil de egreso se desarrollan en una serie de unidades de aprendizaje. 3. El proceso de enseñanza – aprendizaje de cada unidad de aprendizaje, debe asegurar que las competencias de esa unidad se desarrollen adecuadamente, de acuerdo al nivel previsto en el perfil de egreso. Aquí es importante garantizar que todos los profesores, que imparten esa unidad, desarrollen el proceso de enseñanza – aprendizaje de forma similar para que se desarrollen las mismas competencias. Si alguno de estos aspectos falla, el modelo por competencias no tendrá éxito para mejorar la calidad del egresado. Para poner un ejemplo simplificado supongamos un producto concreto, un automóvil, que fue diseñado para cumplir con ciertas características: potencia, seguridad, velocidad, color, etc. Esto correspondería con el perfil de egreso y sus características. El automóvil se fabrica en una cadena de montaje, donde cada estación de trabajo es responsable de cierta parte del auto final. No hay estaciones de trabajo que no aporten nada al diseño ni hay repetición de estaciones. La cadena de montaje corresponde con la malla curricular, donde cada unidad de aprendizaje es el equivalente a una estación de trabajo, porque desarrolla ciertas competencias del perfil de egreso. Para que cada estación de trabajo cumpla con su función, en la línea de producción se realizan una serie de acciones que deben ser iguales para todos los operadores de esa estación y para todos los turnos de trabajo. Las acciones de 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. cada estación son el equivalente a las actividades de aprendizaje de cada unidad de aprendizaje, que deben ser conocidas y realizadas por todos los profesores de esa unidad, pues de lo contrario no se puede garantizar el desarrollo de las competencias previstas, para esa unidad de aprendizaje. Aquí es donde se ve el carácter de proyecto formativo del currículo basado en competencias. Todas las unidades de aprendizaje están dirigidas a formar un egresado con ciertas competencias, descritas en el perfil de egreso. No hay unidades de aprendizaje que no contribuyan a ese perfil ni hay unidades sobrantes. Cada una juega un papel importante en la formación del egresado, que tiene que cumplir, en su proceso de enseñanza aprendizaje. Cambiar un currículo presupone una serie de cambios importantes, pero el cambio más importante es sin duda el nuevo papel que tanto estudiantes como profesores pasan a jugar con este nuevo tipo de currículo. El profesor ya no es la fuente principal de información nueva, como ocurría en los currículos por contenidos, ya que esta información puede ser localizada en diversas fuentes. El papel del profesor es ahora el de creador de situaciones de aprendizaje en el aula y fuera de ella, concretamente de actividades de aprendizaje, que los estudiantes van a realizar, bajo la orientación del profesor, y que les permitirá el desarrollo de las competencias previstas en el programa de la unidad de aprendizaje. El estudiante desarrolla las competencias realizando las actividades de aprendizaje (aprender haciendo) y recibiendo la retroalimentación, por parte del profesor, del resultado de cada una, constituyendo así un mecanismo de formación y evaluación formativa o sea una evaluación dirigida a mejorar el proceso de desarrollo de las competencias. Las actividades de aprendizaje deben tener un enfoque más práctico, más aplicado, con ejemplos y situaciones, lo más cercanas a la vida profesional del ingeniero. Esto no significa que el profesor no explique sus temas en las clases, pero la esencia de los cursos son las actividades de aprendizaje, haciendo las cuales el estudiante, bajo la orientación del profesor, moviliza sus recursos y de esta forma, construye sus propios conocimientos y desarrolla las competencias. Desde que aparecieron las tendencias constructivistas de aprendizaje, en las cuales se señala que los individuos construyen sus propios conocimientos, algunos profesores se engancharon en ese concepto y plantearon que ya no hace falta explicar, pues los estudiantes debían construir sus conocimientos por sí mismos. Esto no es correcto, en ningún momento el profesor puede abandonar su función de facilitar la comprensión de los contenidos, mediante explicaciones, orientaciones, ejemplos de la práctica profesional y experiencias de aplicación. Para un buen aprendizaje es decisivo lograr una mayor motivación en los estudiantes, mostrando cómo se aplica el tema en su carrera profesional de ingeniero y cómo el contenido tratado se relaciona con su futuro campo de trabajo profesional. Es muy diferente que un profesor llegue al aula y diga “hoy vamos a estudiar la parábola”, a que llegue y pregunte ¿por qué llamamos antenas parabólicas a las usadas para recibir las señales de los satélites? o pida a sus estudiantes que realicen una investigación sobre los paraboloides utilizados en diferentes tipos de antenas. Realizando esta actividad el estudiante aprenderá qué es la parábola y sus características fundamentales, además de apreciar, al Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 7 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. mismo tiempo, su aplicación en un tema ingenieril. No se puede aplicar si no se comprende bien, por ello la aplicación práctica es esencial para llegar a un verdadero dominio del tema. Un profesor que tuviera dudas sobre la efectividad de su programa analítico o de cualquier otro programa deberá expresar su opinión y argumentos en las reuniones de academia, lo que ayudaría a lograr una mejora del proceso de enseñanza – aprendizaje. Si hay una actividad de aprendizaje que considera que no es adecuada para el desarrollo de la competencia de la unidad, se debe discutir en la academia o colectivo de profesores a fin de mejorarla o sustituirla por otra más efectiva. Es importantísimo el intercambio entre los profesores, las discusiones de las academias o colectivos, donde el trabajo metodológico debe ser el tema central, siempre con vistas a mejorar el proceso de enseñanza – aprendizaje. Las reuniones de academia deben ser el centro de este proceso, donde los profesores expresen sus dudas, sus resultados y puedan llegar a conclusiones con vistas a que la unidad de aprendizaje logre el desarrollo adecuado de las competencias en los estudiantes. En el currículo por contenidos cada profesor podía cerrar la puerta de su aula y enseñar lo que creía sin ser cuestionado. Sin embargo ésto también cambia en el modelo por competencias; aunque el profesor sigue siendo libre de llevar su proceso como quiera, no puede cambiar las competencias a formar, porque éstas están definidas en el perfil de egreso que no se puede cambiar. Por tanto la libertad de cátedra está limitada a que el profesor pueda cambiar una actividad por otra que le resulte más familiar o piense que es mejor para su grupo, pero sin cambiar qué competencia pretende desarrollar con esa actividad, pues ésta forma parte del perfil de egreso que no puede ser modificado por un profesor en particular. Obviamente para que este modelo sea exitoso no basta con formularlo, hay que aplicarlo conscientemente en la actividad diaria de todos los involucrados. Las resistencias son elementos propios de las dinámicas de cambio que están relacionadas con la manera cómo aprenden y cambian sus creencias los actores, los profesores principalmente. Es necesaria la comprensión del cambio en sí, pero lo más útil para realizarlo adecuadamente es analizar cómo puede llevar a mejorar los aprendizajes de los estudiantes. Este modelo no presume de ser perfecto, sino de que toma en cuenta el nivel de satisfacción de las necesidades actuales de la sociedad por parte de los egresados de las carreras en el mundo y plantea una manera de asegurar que éstos logren satisfacer tales necesidades. Los modelos están sujetos a revisión continua y su mejora depende en mucho de la crítica. “Eso de las competencias no sirve” no es una crítica, es solamente una frase que no señala qué es lo que no sirve, que no se dirige a los que diseñan el perfil de egreso, la malla curricular o los programas analíticos de las unidades de aprendizaje ni hace mención de la manera en que los profesores y estudiantes cumplen con su parte en el proceso enseñanza – aprendizaje. Por ello la frase resulta poco eficaz, pues no ayuda a identificar las posibles causas de las deficiencias que pudieran existir ni propone medidas para mejorar el proceso. Una crítica en cambio, proporciona información que ayuda a dilucidar qué aspecto del modelo está incompleto o no está cumpliendo con su papel. 8 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. Las competencias sí sirven para erradicar las áreas de oportunidad que se presentan en la formación de ingenieros, porque dan un carácter más práctico a la formación, la cual está diseñada en función de las exigencias de la sociedad actual, los resultados esperados del aprendizaje están formulados en forma más clara, con la descripción del desempeño que debe mostrar el estudiante al terminar un ciclo de estudios, y en qué condiciones se pondrá de manifiesto ese desempeño, porque además de proveer instrucción implica la educación del futuro ingeniero con valores y actitudes, acordes con los que la sociedad necesita, porque, como una brújula, orienta el trabajo de todos los profesores hacia una dirección establecida, el perfil de egreso, que le da al proceso de enseñanza – aprendizaje el carácter de proyecto formativo, donde los estudiantes y profesores tienen su papel, enmarcando la labor del profesor, con las competencias establecidas en el programa analítico, aprobado en la academia de su unidad de aprendizaje. El currículo basado en contenidos corresponde a las necesidades y tendencias del siglo XX. En el siglo XXI se deben aplicar tendencias de educación acordes con las exigencias de calidad y las necesidades de la sociedad actual, por lo que es necesario trabajar para que la formación de los egresados sea integral y responda a estándares y tendencias reconocidas internacionalmente. Si se quiere realmente que la preparación de los egresados de ingeniería mejore y responda a la dinámica de las exigencias, actuales y por venir, por ahora el camino más pertinente son los currículos basados en competencias. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 9 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos de polipropileno y organoarcillas Edith M. Hernández-TorresA,B, Francisco J. Rodríguez-GonzálezC, Virgilio A. González-GonzálezA,B, Sofía Vázquez-RodríguezA,B Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME CIIDIT-UANL C Centro de Investigación en Química Aplicada, Saltillo Coahuila.(CIQA) sofia.vazquezrd@uanl.edu.mx A B RESUMEN Se elaboraron dos tipos de materiales compuestos formados por una organoarcilla tipo montmorillonita (OMMT) y dos tipos de polipropileno, un polipropileno homopolímero (PP) y polipropileno injertado con anhídrido maleico (PPgAM). La preparación de los materiales compuestos se realizó mediante molienda criogénica para después elaborar película mediante moldeo por compresión. Los polvos y las películas fueron evaluados por FTIR, DSC, DRX and SEM para determinar los cambios químicos, térmicos y estructurales. Además, se evaluaron las propiedades mecánicas en tensión de las películas de los materiales. Debido al proceso de criomolienda, se reduce el tamaño de partícula de la OMMT, mientras que no se observó una modificación estructural de los polímeros. Las películas presentaron cierto grado de intercalación de la OMMT en el PPgAM. Por otra parte, la presencia de los fragmentos de la OMMT aumentó la cristalinidad del PP dando como resultado un importante aumento del módulo de Young. PALABRAS CLAVE Materiales nanocompuestos, organoarcillas, polipropileno, criomezclado. ABSTRACT Two different composite materials were prepared, using an organic modified montmorillonite (OMMT) and two types of polypropylene, homopolymer polypropylene (PP) and maleic anhydride-grafted polypropylene (PPgAM). Composites were cryomilled and their films were made by compression molding. Powders and films of composite were evaluated by FTIR, DSC, XRD and SEM to determinate the chemical, thermal and structural changes. Furthermore, the mechanical properties of films were evaluated by tensile tests. Particle size of OMMT was reduced during cryomilling while no structural changes were depicted by polymer. XRD spectra of PPg/OMMT composite films showed some intercalation of OMMT, and the presence of OMMT fragments increased PP crystallinity giving place to an important increment of the Young modulus. KEYWORDS Nanocomposite materials, organic-clay, polypropylene, cryomilled. 10 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. INTRODUCCIÓN Los materiales compuestos con cargas que poseen al menos una de sus dimensiones a escala nanométrica son una clase de materiales que han adquirido un gran interés en los últimos años debido a las notables mejoras en las propiedades a bajas concentraciones de nanocarga.1 Las cargas como las arcillas tipo montmorillonita (MMT) tienen grandes ventajas, ya que con una reducida cantidad de arcilla se puede obtener un aumento considerable en propiedades como módulo tensil, dureza, resistencia tensil, estabilidad dimensional, propiedades barrera a gases, conductividad eléctrica y retardancia a la flama, por mencionar algunas.2 Dada la naturaleza hidrofílica de la MMT, y la naturaleza hidrofóbica de muchos polímeros, es necesario hacer una modificación superficial a la arcilla mediante la adición de compuestos orgánicos como las sales alquil-amonio para hacerla más hidrofóbica y facilitar su exfoliación en polímeros, como el polipropileno (PP).3 A las arcillas modificadas con compuestos orgánicos se les denomina organoarcillas o arcilla modificada orgánicamente (OMMT). Aún con la modificación orgánica es posible que no tenga una suficiente compatibilidad con el PP, por lo que otra opción es utilizar un agente compatibilizante como el polipropileno injertado con anhídrido maleico (PPgAM).2 Los métodos convencionales de preparación de materiales poliméricos son la extrusión (estado fundido), solución y polimerización in-situ.3 Sin embargo, en ocasiones estas técnicas presentan ciertas desventajas al tratar de obtener nanocompósitos pues se tienen que utilizar modificaciones al proceso como la temperatura, tiempo, configuración de los equipos, entre otras. 4 Los cambios en los parámetros de procesamiento provocan en ocasiones degradación del polímero, aumento en la viscosidad, mala distribución de la carga, etc.5-7 Una alternativa para preparar materiales compuestos poliméricos es el mezclado de alta energía en estado sólido a una temperatura por debajo de la temperatura de transición rítrea (Tg) del polímero. Este método, llamado criomolienda, consiste en un proceso de molienda mecánica en un ambiente de nitrógeno líquido (-150 °C). A esa temperatura, el polímero es sólido, y pueden prepararse materiales compuestos Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 con buena dispersión y en algunos casos exfoliación de la carga dentro de la matriz polimérica, mejorando así algunas de sus propiedades.1,8-11 La dispersión de nanopartículas de SiO2 en poli (etilenetereftalato) (PET), utilizando la criomolienda, se obtiene en tres etapas: primero se forman láminas de polímero junto con la desaglomeración y reducción del tamaño de partícula del SiO2, posteriormente se dispersan las partículas en el polímero formando un compósito y finalmente se reduce el tamaño del compósito.1 La conductividad eléctrica del nanocompuesto de polianilina/Fe varía por el tamaño y grado de dispersión de las partículas de Fe al utilizar un molino de bolas con un ambiente criogénico.9 También se ha estudiado la eficiencia del procesamiento de molienda criogénica para la obtención de nanocompósitos poliméricos. Durante la preparación de nanocompósitos con óxido de polietileno (PEO) y polietileno (PE) utilizando como carga reforzante nanotubos de carbono de multi-pared altamente aglomerados se observó que los esfuerzos de corte ocasionados por las bolas del molino originan una deformación plástica en algunas zonas de la matriz polimérica. Esto al observar algunas estructuras fibrilares, así como un mayor espesor de los CNT. También se observó un aumento en el módulo de Young del nanocompósito PE/CNT, lo cual no se obtiene por otras técnicas de procesamiento.10,11 En el caso de las nanocargas laminares, se ha logrado exfoliar parcialmente el grafito en polipropileno, provocando una mejoría en la ductilidad, estabilidad térmica y conductividad eléctrica del nanocompósito con un contenido del 4% de grafito.12 Por lo que respecta a la incorporación de nanoarcillas en polímeros mediante técnicas de molienda, se requiere de un tiempo largo en el molino de bolas, y provoca cambios importantes en la cristalinidad del polímero.13 En este trabajo se estudió la influencia de la criomolienda en la morfología, propiedades fisicoquímicas, morfológicas, estructurales y mecánicas de materiales compuestos de polipropileno con una organoarcilla (OMMT). EXPERIMENTACIÓN Materiales Se utilizaron dos tipos de polímeros; un polipropileno homopolímero (PP) grado extrusión 11 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. marca Valtec HS013 de Indelpro México, y un polipropileno injertado con 1% en peso de anhídrido maleico (PPgAM) marca Polybond 3200 de Chemtura. La organoarcilla utilizada fue una montmorillonita Cloisite 20A (OMMT), modificada con una sal de amonio cuaternaria, obtenida de Southern Clay Products. Procedimiento Experimental La preparación de los compuestos en estado sólido a temperatura criogénica se realizó en un molino criogénico SPEX 6770 Freezer/Mill. Tanto el polímero como la OMMT se colocaron dentro de un vial de policarbonato con un impactador de acero. El vial se sumerge en la cámara del molino la cual está llena de nitrógeno líquido. El proceso de molienda criogénica consistió en un pre-enfriamiento de la muestra por 10 min, para continuar con 10 ciclos de 3 min de molienda con pausas de 2 min para enfriar nuevamente el material. El tiempo total de molienda fue de 30 min con una frecuencia de 15 Hz. Al finalizar el tiempo de molienda, el material fue retirado del vial en forma de polvo fino. Posteriormente, se prepararon películas mediante moldeo por compresión utilizando una prensa Carver, a 2.2 MPa durante 2 min. La temperatura de moldeo fue de 170°C para el PPg-AM y 190°C para el PP. La cantidad de material compuesto total fue de 1g, con un porcentaje de 2, 4 y 8% en peso de OMMT con respecto al polímero. En la tabla I se presenta la identificación de los diferentes materiales compuestos. Caracterización Los polvos obtenidos de la criomolienda y las películas preparadas mediante moldeo, fueron Tabla I. Compuestos de PP y PPgAM con OMMT realizados por criomolienda. Código Polímero % OMMT CPP-0 PP 0 CPP-2 PP 2 CPP-4 PP 4 CPP-8 PP 8 CPPgAM-0 PPgAM 0 CPPgAM-2 PPgAM 2 CPPgAM-4 PPgAM 4 CPPgAM-8 PPgAM 8 12 caracterizados mediante espectroscopia de infrarrojo (FT-IR) en un equipo Thermo Nicolet 6700, a una resolución de 4 cm-1 con 32 barridos por muestra. Las propiedades fisicoquímicas de los polvos y películas fueron obtenidas por calorimetría diferencial de barrido (DSC) en un equipo Diamond DSC de Perkin Elmer evaluando ciclos de calentamiento de 40°C a 200°C a una velocidad de 10°C/min, así como un ciclo de enfriamiento de 200°C a 40°C a la misma velocidad. Además se determinó el porcentaje relativo de cristalinidad de las muestras, mediante la relación de la entalpia de fusión y entalpía del polipropileno 100% cristalino (209 Jg-1).14 Las mediciones de difracción de rayos X de las películas se realizaron en un difractómetro Siemens con una radiación CuKα (λ=1.54Å). El rango de ángulos 2θ fue desde 2° hasta 12°. Las propiedades mecánicas de las películas de los compuestos PP/OMMT, cuyas dimensiones fueron 9cmx5cm con 1 mm de espesor, fueron evaluadas en una máquina de tensión modelo Shimadzu AGS-X, a una velocidad de deformación de 50 mm/min. La morfología del polímero fue evaluada en películas fracturadas en nitrógeno líquido, en un microscopio electrónico de barrido marca FEI Nova NanoSEM 200 de emisión de campo, operado a un voltaje de 5 kV. RESULTADOS Y DISCUSIÓ0N Cambios morfológicos y estructurales de la OMMT debido a la criomolienda El efecto de la criomolienda sobre la estructura de la OMMT molida a las mismas condiciones de preparación de los materiales compuestos (figura 1) se observó mediante SEM. La OMMT sin moler, presenta una morfología laminar con pliegues en las orillas (figura 1a y 1b), con un tamaño aproximado de partícula de entre 20 y 50 μm. Después de la criomolienda de 30 min (figura 1c y 1d), se observó una reducción del tamaño de las partículas perdiendo los pliegues de la OMMT. Este cambio morfológico es consecuencia de los altos impactos a los que fue sometida la OMMT durante el proceso de molienda. También se evaluaron los cambios en el arreglo cristalino de la OMMT mediante DRX (figura 2). El patrón de difracción de la OMMT antes de la criomolienda, presenta el pico de difracción a un Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. Fig. 1. Imágenes de SEM de la OMMT: a) y b) antes de criomoler, c) y d) después de criomoler. Fig. 2. Difractogramas de la OMMT a) antes y b) después del proceso de criomolienda. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 ángulo 2θ = 3.5°, asociado al espacio interlaminar del plano 001 de láminas de silicato modificadas,15 además de un pico a 7° que corresponde al espaciamiento interlaminar del plano 001 de la arcilla que contiene grupos sodio en la superficie.15,16 También hay una señal a 2θ=2.5 que podría estar relacionada con los pliegues de las orillas. Esa señal desaparece después de la criomolienda lo que corrobora las observaciones de SEM y hace que parezca que la señal a 3.5 se vea más ancha. Después de la criomolienda, el pico de 7° ha disminuido su intensidad considerablemente. Posiblemente durante la criomolienda se ocasionaron imperfecciones cristalinas a la partícula, lo cual también se asocia a la disminución del tamaño de partícula que sufrió durante el proceso.1,8 13 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. Efecto de la criomolienda en las características fisicoquímicas de los materiales compuestos de PP/OMMT En la figura 3 se muestran los espectros de infrarrojo de los polvos de los materiales compuestos con PP (CPP) obtenidos por criomolienda. En todos los espectros se observan las señales más características del PP: 17 2950 cm -1 y 2865cm -1 que corresponden a las bandas del estiramiento simétrico y asimétrico de metilenos y metilos (-CH2, -CH3), 1460 cm-1 y 1380 cm-1, deformación en el plano simétrica de metilos y metilenos, 1160 cm-1 estiramiento C-C, 990 y 972 cm-1 flexión C-H fuera del plano. Al incrementar la cantidad de OMMT dentro del PP, se observa la aparición de la banda característica de la OMMT a 1038 cm-1 del enlace Si-O, además de una banda de baja intensidad a 3620 cm-1 asociada al estiramiento O-H del agua interlaminar. Fig. 3. Espectros FTIR de los polvos de materiales compuestos de PP con 2, 4, 8% de OMMT criomolidos. En la figura 4 se muestran los espectros de los polvos criogénicos de los compuestos PPgAM. Al igual que en los espectros de los materiales CPP, se observan las bandas características de la OMMT dentro del polímero, la banda de 1038 cm-1 (Si-O) y la de 3620 cm-1 (O-H). También se observan las bandas características del grupo anhídrido maleico, a 1780 cm-1, asociada al estiramiento simétrico del carbonilo (C=O), también la banda a 1710 cm-1 que corresponde al estiramiento asimétrico del carbonilo (C=O) de la forma diácido del anhídrido maleico 14 Fig. 4. Espectros FTIR de compuestos de PP-g-AM con 2, 4, 8% de OMMT. cuando se encuentra hidratado.18 La intensidad de las bandas asociada al enlace Si-O aumenta conforme se incrementa la cantidad de OMMT en el compósito, sugiriendo una buena homogeneidad en la muestra. En la tabla II se presentan los valores de temperatura de fusión del primer barrido de calentamiento (Tm1) de los polvos obtenidos en el criomolino. Se utilizó el primer barrido de calentamiento para determinar cambios en la cristalinidad del polímero inducidos por la criomolienda.8 La temperatura de fusión, Tm1, de los diferentes compósitos de CPP, presentan valores similares al PP virgen y criomolido (~164°C), sin que haya una influencia considerable por la cantidad de OMMT en el polímero. Los compósitos de CPPgAM presentan una Tm1 de 161°C, similar a la del PPgAM virgen y criomolido. Estos valores indican que la incorporación de OMMT al polímero no promueve cambios considerables en la temperatura de fusión del material criomolido, lo cual también ha sido observado en compósitos de PP preparados mediante extrusión.19 Respecto a los valores de la entalpía de fusión, ∆Hm1, el valor del CPP-0 (93.7 J/g) no cambia considerablemente con respecto al PP virgen (95.0 J/g). Sin embargo, la entalpía ∆Hm1 de los compósitos tiende a disminuir a mayor concentración de OMMT, sugiriendo que la OMMT podría favorecer una disminución en la cristalinidad del PP. Mientras que para los compósitos con PPgAM, la entalpia ∆Hm1 del CPPgAM-0 (68.6 J/g) es semejante a la del polímero virgen (70.5 J/g). Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. Tabla II. Valores de DSC del pico de fusión (primer calentamiento, Tm1) y pico de cristalización (Tconset) de los materiales preparados por criomolienda. Contenido de arcilla (%) Propiedades Tm1 (°C) ∆Hm1 (J/g) Cristalinidad (%) Tconset (°C) Muestra 0 2 Material original 4 8 PP 164.7 CPP 164.80 164.34 164.14 165.35 CPPgAM 162.00 161.12 160.80 161.59 CPP 93.68 90.45 81.89 88.92 CPPgAM 68.63 83.36 82.89 78.17 CPP 45 43 39 43 CPPgAM 34 40 40 37 CPP 122.11 123.31 123.46 122.64 CPPgAM 121.23 121.27 121.33 120.88 Sin embargo, al incorporar la OMMT, los valores de ∆Hm1 aumentan y por tanto también la cristalinidad, lo cual se debe al efecto nucleante que presenta el anhídrido maleico en el PPgAM debido a la afinidad entre el grupo anhídrido maleico y la superficie de las láminas de la OMMT.16 A partir del ciclo de enfriamiento se obtuvieron los valores de la Tconset del pico exotérmico, donde el PP virgen presentó una temperatura de 120°C. Después del criomolido, la Tconset de los compósitos CPP fue muy semejante (122-123°C), tan solo 2°C por arriba de lo obtenido para el PP virgen. Mientras que para los compósitos con PPgAM, la Tconset del PPgAM virgen fue de 115.8°C, desplazándose hasta aproximadamente 121°C tanto para el CPPgAM como sus compósitos con OMMT. Aparentemente el proceso de criomolienda afecta la cristalización del PPgAM, ya que este aumento en la Tconset se debe a un efecto nucleante en el polímero, fenómeno que ha sido observado por otros autores.20 Las variaciones en la Tconset podrían estar asociadas a cambios en la distribución de pesos moleculares,20 así como a un efecto de la OMMT al intercalarse o exfoliarse dentro del PPgAM.21 Películas de los materiales compuestos criomolidos En la figura 5a, se muestra la superficie de fractura de la película del compuesto CPP-8, la cual presenta una superficie lisa con pequeñas rugosidades, asociado a un mecanismo de falla característico de una fractura frágil. En la figura 5b, se observa la misma película a mayores magnificaciones, y se Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 PPgAM 163.1 95.0 70.4 45 34 120.1 115.8 observa la formación de agregados de la OMMT en la superficie de fractura. Con respecto a la película del CPPgAM-8 (figura 5c y 5d), también se presenta una superficie lisa con una ligera deformación plástica. La formación de aglomerados de OMMT fue difícil de observar. Se ha reportado que el PPgAM presenta una buena interacción con los grupos funcionales de la OMMT,16 mejorando la compatibilidad de la OMMT con el polímero y reduciendo la formación de aglomerados. Los patrones DRX de las películas CPP y CPPgAM con 8% de OMMT se muestran en la figura 6. La película CPP-8 presenta un ángulo 2θ =3.5°, que corresponde al espacio interlaminar del plano 001 de las láminas de la OMMT, lo que sugiere que no hubo una intercalación/exfoliación de las láminas de la OMMT dentro del PP. En la película de CPPgAM-8 no se observó el pico a 3.5° lo cual sugiere que hubo un desplazamiento hacia un ángulo 2θ menor. Esto se debe a que la interacción de los grupos anhídrido maleico del PPgAM y los grupos funcionales de la OMMT aumentan el espacio interlaminar de las láminas de la arcilla.22 Esto concuerda con los resultados de otros autores en el que existe un grado de intercalación mayor en compuestos cuya matriz es PPgAM que con una de PP.23,24 Al parecer, las moléculas de PP no son capaces de intercalarse dentro de las galerías de la OMMT, mientras que se obtuvo un sistema intercalado/exfoliado en el PPgAM. Los cambios en las propiedades fisicoquímicas de las películas se presentan en la tabla III. En los compósitos CPP, no se observaron cambios considerables ni en la temperatura de fusión 15 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. Fig. 5. Morfología de la superficie de fractura de las películas a), b) CPP-8 y c), d) CPPgAM-8. Tabla III. Parámetros DSC de las películas CPP. Contenido de arcilla (%) Propiedades Fig. 6. Patrones de DRX de las películas de los compuestos a) CPP-8 y b) CPPgAM-8. 16 0 2 4 8 Tm (°C) 158 156 157 158 ∆Hm (J/g) 78.1 87.2 113.7 83.3 Cristalinidad (%) 37 42 54 40 Tconset (°C) 123 124 124 123 del segundo calentamiento (Tm) ni en la Tconset, sugiriendo que no hay un efecto nucleante importante de la OMMT en el polímero. El % de cristalinidad y la ∆Hm, aumentaron con el contenido de OMMT en el PP. Las variaciones en el grado de cristalinidad se pueden deber a los cambios morfológicos de algunas láminas de OMMT que se encuentran intercaladas o también a un ligero aumento en Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. el núcleo de esferulitas debido a las láminas de OMMT exfoliadas y/o intercaladas.25 Los patrones de difracción muestran que no hay intercalación del PP entre las galerías de OMMT. Sin embargo, las orillas fracturadas de la OMMT podrían actuar como nucleantes para el crecimiento de cristales. Respecto a las películas de los compósitos de CPPgAM (tabla IV), tampoco se observaron variaciones ni en la Tm, ni en la Tconset al comparar los valores obtenidos para CPPgAM-0. Mientras que los valores de la ∆Hm y del % de cristalinidad tienden a ser menores que los de la película CPPgAM0. Es posible que en este sistema las láminas de arcilla estén restringiendo el acceso de las cadenas poliméricas a los puntos cristalinos del polímero, reduciendo el grado de cristalinidad.22 Tabla IV. Parámetros DSC de las películas CPPgAM. Propiedades Contenido de arcilla (%) 0 2 4 8 Tm (°C) 156 156 156 158 ∆Hm (J/g) 104.6 90.2 79 93.5 Cristalinidad (%) 50 43 38 45 Tconset (°C) 121 122 123 121 En la figura 7 se muestran los resultados del módulo de Young de las películas CPP. Se observó un aumento en el módulo conforme se incrementa la cantidad de OMMT. Las películas CPP-8 aumentaron un 50% en dicha propiedad respecto al valor de la película de CPP. Este aumento en el módulo de Young está asociado a un aumento en la rigidez del material, lo cual sucede cuando se incorpora una carga inorgánica a un material polimérico.26 Sin embargo, también hay influencia en el módulo por el aumento en la cristalinidad de los compuestos con PP, como se obtuvo por DSC. CONCLUSIONES El proceso de la criomolienda provocó cambios morfológicos y estructurales en la OMMT debido a la fractura y reducción del tamaño de las partículas. La cristalinidad del polímero en los polvos de CPP/ OMMT no cambió por la criomolienda, mientras que en los polvos de CPPgAM/OMMT se favoreció un aumento en la cristalinidad. Por lo que respecta a las películas de los materiales compuestos, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 7. Módulo de Young de las películas de los compuestos CPP. las películas con PP muestran un aumento en la cristalinidad debido a que la OMMT favorece puntos nucleantes en el polímero, provocando un aumento en el módulo de Young. Mientras que en las películas con PPgAM, la cristalinidad disminuye debido al grado de intercalación de la OMMT en el polímero. Finalmente fue posible obtener un material compuesto mediante la criomolienda sin afectar considerablemente la cristalinidad del polímero. AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer el financiamiento recibido por parte de CONACyT al proyecto CB106176. También se agradecen las facilidades otorgadas por los laboratorios del CIIDIT-UANL para la preparación y caracterización de los materiales, así como al laboratorio de caracterización de la carrera de Ingeniero en Materiales por la evaluación de propiedades mecánicas. Se agradece a la M.C. Blanca M. Huerta Martínez por la evaluación de difracción de rayos X. BIBLIOGRAFÍA 1. Z.Q.L. Y. G. Zhu, D. Zhang, T. Tanimoto, PET/ SiO2 Nanocomposites Prepared by Cryomilling. J Polym Sci Part B: Polym Phys, 2006, 44, 11611167. 2. Y.-W.M.a.Z.-Z. Yu, Polymer Nanocomposites, Woodhead Publishing Limited, 2006. 17 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. 3. J.H. Koo, Polymer Nanocomposites. Processing, Characterization and Applications. McGraw Hill Nanoscience and Technology Series, 2006. 4. Bhattacharya, Sati N. y Gupta, Rahul K. y Kamal, Musa R. Polymeric Nanocomposites - Theory and Practice. 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Se preparó hidróxido de zirconio por el método sol-gel a partir de propóxido de zirconio e hidróxido de amonio, una vez obtenido el gel se secó y se sometió a calentamiento por microondas y un enfriamiento rápido. La zirconia se sulfató con una solución de ácido sulfúrico y se utilizó como catalizador en la producción de biodiesel observando su actividad catalítica y concluir que los porcentajes de conversión son comparables con la síntesis de catálisis básica homogénea. PALABRAS CLAVE Biodiesel, zirconia, microondas. ABSTRACT In this work zirconia nanoparticles were synthesized using microwaves an energy source, these were used as a solid catalyst support. Zirconium hydroxide was prepared by using sol-gel method from zirconium hydroxide and ammonium hydroxide, after obtaining the gel. It was dried and heated by microwave and finally quenched. Zirconia was sulfated with a sulfuric acid solution and used as catalyst in the biodiesel production observing its catalytic activity and finally compare that conversion rates are comparable with the synthesis of homogeneous catalysis. KEYWORDS Biodiesel, zirconia, microwaves. INTRODUCCIÓN El biodiesel es un combustible no derivado del petróleo basado en ésteres de alquilo derivados de cualquiera de las transesterificaciones de los triglicéridos o la esterificación de ácidos grasos libres con alcoholes de baja masa molecular.1 Las propiedades de flujo y la combustión de biodiesel son similares a las del diesel obtenido del petróleo y, por lo tanto, puede ser utilizado como su sustituto de éste.2 Como punto de comparación, el biodiesel puro (B100) libera aproximadamente un 90 % de la energía con respecto al diesel normal, y por lo tanto, su rendimiento esperado en el motor es casi el mismo en términos de torque y potencia. El biodiesel, sin embargo, se puede sintetizar a partir de 20 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. aceite reciclado comúnmente, es biodegradable y no tóxico, y tiene un punto de inflamación más alto que el diesel normal. Además, el biodiesel aumenta la lubricación (incluso en mezclas de sólo 3% o menos), lo que prolonga la vida del motor y reduce la frecuencia de sustitución de partes de éste. Otra ventaja significativa del biodiesel es su perfil de baja emisión y su contenido de oxígeno de 10-11%. El biodiesel se conoce como el biocombustible amigable con el medio ambiente, ya que proporciona un medio para reciclar el dióxido de carbono. En otras palabras, el biodiesel no contribuye al calentamiento global. Las normas ASTM para el biodiesel presentan características que son comparables con el combustible diesel tradicional.3 La tabla I resume los perfiles de emisión típicos de biodiesel y una de sus mezclas, B20, que consta de 20% de biodiesel y 80% diesel, utilizando las emisiones del diesel derivado del petróleo como referencia. La transesterificación requiere un catalizador con el fin de obtener rendimientos razonables de conversión. La naturaleza del catalizador es fundamental, ya que determina los límites de composición que el material de alimentación debe cumplir. Actualmente, la mayoría del biodiesel se prepara utilizando catalizadores alcalinos, tales como metóxidos e hidróxidos de sodio y potasio. Industrialmente, NaOH y KOH se prefieren debido a su amplia disponibilidad y bajo costo.4 No obstante, desde un punto de vista químico, las especies activas con ambos tipos de catalizadores son iones metóxido, éstos son nucleófilos fuertes y atacan el grupo carbonilo en las moléculas de glicéridos para producir ésteres de alquilo. En general el proceso Tabla I. Promedio de emisiones (%) de B100 y B20 comparadas con diesel normal. Emisión B100 B20 Monóxido de carbono -48 -12 Hidrocarburos sin conbustionar -67 -20 Partículas sólidas -47 -12 NOx +10 +2 Sulfatos -100 -20 Aires tóxicos -60 a -90 -12 a -20 Mutágenos -80 a -90 -20 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 tiene serias limitaciones que se traducen en altos costos de producción. Por otra parte, el alcohol y el catalizador deben cumplir con las rigurosas especificaciones también, deben ser anhidros, ya que la presencia de agua en el material de alimentación promueve la hidrólisis de los ésteres de alquilo de ácidos grasos libres, por lo anterior se requiere el uso de aceites vegetales altamente refinados cuyo precio puede ser del 60 al 75% del costo final del biodiesel.5 Aunque se considera que el biodiesel es amigable con el medio ambiente, se debe considerar que se utilizan campos para producir semillas específicamente para los aceites refinados, en vez de usar dichos campos para producir alimentos, es por ello que algunos investigadores buscan producir diesel a partir de reciclar aceites comestibles usados y grasa animal. Debido a su precio, el uso de materias primas de grasa de desecho se ha propuesto como una manera de reducir los costos de producción de biodiesel, algunas plantas en los Estados Unidos ya están produciendo biodiesel de grasa amarilla,6 pero también las grasas marrones de los filtros de los centros comerciales pueden ser utilizadas. Las materias primas de bajo costo deben experimentar alguna forma de tratamiento antes de que puedan ser utilizadas para la producción de biodiesel, la materia particulada se separa con filtros de celulosa, el agua se separa por gravedad y mediante destilación se desnaturaliza y degradan las proteínas residuales en la grasa, así como azúcares y alcoholes producidos durante el almacenamiento.7 La temperatura juega un papel importante en la síntesis del biodiesel catalizada por ácidos. A temperaturas más altas, la separación de fases disminuye y las constantes de velocidad aumentan, redundando en tiempos de reacción sustancialmente cortos. Normalmente, las concentraciones de catalizador en la mezcla de reacción varían entre 1 y 5% en peso.8 Las zeolitas de poro grande se han utilizado con cierto éxito en la esterificación de ácidos grasos en medio ácido; sin embargo, siempre ocurre que se originan subproductos no deseados debido a la alta temperatura de la reacción.9 Por otra parte, la zirconia se ha empleado como catalizador en un sinnúmero de reacciones químicas, 21 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. en este trabajo se propone el uso de zirconia como un soporte para catalizadores ácidos.10 En el 2006 Tyagi et al11 sintetizaron nanopartículas de zirconia que tienen fase cristalina predominante tetragonal usando el método sol-gel y técnicas convencionales de precipitación de hidróxido de zirconio obtenido por la hidrólisis de propóxido de zirconio y oxicloruro de zirconio como precursores. Se observó que el secado térmico de gel de hidróxido de zirconio en un horno (110 ° C, 12 h) dio resultados de tamaño de cristales inferiores (11-13 nm) en comparación con el secado a vacío (50 mbar, 70 ° C), que muestra mayor tamaño de los cristales (20 -21 nm) durante ambas técnicas, sol-gel y la síntesis de precipitación convencional. En 2010 Lee et al12 utilizaron el dióxido de carbono supercrítico (scCO2) líquido como disolvente verde que puede reducir considerablemente el uso de disolventes orgánicos. Los grupos de zirconia nanoporosa (ZrO2) se sintetizaron de una microemulsión [Zr4+] (aq) / scCO2 usando una solución de hidracina como agente de precipitación. En 2011 Kazemi et al13 sintetizaron nanopartículas de zirconia (ZrO2) utilizando sacarosa y fructosa como agentes quelantes del hidróxido de zirconio. En esta investigación se observó que los agentes quelantes de sacarosa y fructosa dan como resultado una fase tetragonal de la zirconia y un tamaño de partícula menor al que se obtiene con el método convencional utilizando así menores temperaturas. En 2012 Thitsartarn et al14 sintetizaron zirconia sulfatada soportada en SBA-15 utilizando un método post-síntesis y fue comparada con la zirconia sulfatada convencional en términos de actividad catalítica en la transesterificación de aceite de palma. Los catalizadores P-SZS podrían conservar la estructura mesoporosa ordenada hexagonal incluso con concentraciones de zirconia altos, y tenían mayor acidez que la zirconia sulfatada. Como resultado, estos catalizadores mostraron mayor actividad catalítica que el catalizador de zirconia sulfatada convencional para la transesterificación de aceite de palma con metanol. En el 2012 Tyagi et al15 evaluaron la actividad catalítica de la zirconia sulfatada nanocristalina, preparada por método sol-gel para la esterificación 22 de ácido caprílico con diferentes alcoholes. La concentración más baja de catalizador (0,5% en peso) exhibió 96-98% de conversión del ácido caprílico con metanol y 100% de selectividad para caprilato de metilo a 60 °C. La conversión se redujo al aumentar la masa molecular de los alcoholes (etanol, n-propanol y n-butanol a 60 °C), pero aumentó significativamente (91-98%) al aumentar la temperatura de reacción. Por otra parte, en 2009 Cao et al sintetizaron mediante microondas diversos materiales mesoporosos,16 principalmente óxido de silicio y alúmina. Este método tiene la ventaja de la nucleación homogénea. PARTE EXPERIMENTAL Síntesis de zirconia Para sintetizar la zirconia se colocaron 25 mL de propóxido de zirconio en un vaso de precipitado, posteriormente se añadió gota a gota una solución de hidróxido de amonio al 25% hasta obtener un pH entre 9 y 10. Una vez añadido el hidróxido de amonio se agitó durante una hora hasta obtener un gel de aspecto transparente e incoloro. El gel obtenido se secó en una estufa a 101 °C por 12 h. Una vez seco el gel se colocó 1 gramo en un crisol de porcelana, dicho crisol se ubica encima de un crisol de alúmina que contiene una cama de grafito molido y se introduce en el microondas, el grafito en polvo absorbe microondas y al calentarse por conducción calienta el hidróxido de zirconio, el cual, una vez alcanzada cierta temperatura absorbe microondas calentándose homogéneamente. Este proceso se llevó a cabo a diferentes intervalos de tiempo desde 30 hasta 90 segundos, inmediatamente se saca el crisol que contiene el producto y se enfría en un recipiente de aluminio que yace sobre nitrógeno líquido a presión atmosférica. Sulfatación de la zirconia Se coloca un gramo de zirconia en un vaso de precipitado y se añaden 15 mL de una solución de ácido sulfúrico de 0.5 M a 1.5 M y se agita constantemente durante 12 h. Finalmente se separa la zirconia mediante filtración y se seca en un horno a 110 °C durante 3 h. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. Producción de biodiesel Para llevar a cabo la síntesis del biodiesel se colocan en un matraz bola 50 mL de aceite vegetal reciclado, el cual es previamente filtrado y desnaturalizado, 100 mL de etanol y se le añade 1.0% en masa del catalizador. El sistema se deja reaccionar entre 60 y 80 °C durante 2 h, siempre en agitación constante y reflujo. Terminada la reacción se separa el catalizador mediante filtración y se seca a 110 °C durante 3 h. Por otra parte, las fases son separadas en un embudo de separación, dejándolas reposar 24 h. Difracción de rayos-X Mediante difracción de rayos-X en polvos se caracterizaron tanto la zirconia sintetizada por microondas así como la zirconia después de la sulfatación. Todas las difracciones se realizaron en las siguientes condiciones: 2θ entre 5º y 90º, con un paso de 0.05 º, y temperatura ambiente (~25 ºC). Área superficial El área superficial y el tamaño de partícula se calcularon empleando la técnica de BET mediante ciclos de adsorción-desorción de nitrógeno. Se utilizó un equipo Quantachrome Instruments modelo Autosorb-1. El microscopio electrónico de barrido (MEB) Para observar las partículas de zirconia se utilizó microscopía electrónica de barrido de alta resolución en la modalidad de electrones secundarios. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Área superficial y tamaño de poro La figura 1 presenta un análisis BJH (algoritmo Barret-Joyner-Halenda) del tamaño de poro y el análisis volumétrico, basado en la rama de desorción obtenido directamente del ordenador del equipo, se muestra una distribución muy cerrada del tamaño de poro. Tras el análisis, se calculó un diámetro de poro promedio de 30 nm y un área superficial promedio de 180.6 m2/g, de lo cual se concluye que la zirconia obtenida por microondas convencional es un material mesoporoso. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 1. Distribución del tamaño de poro para la zirconia vía microondas, curva obtenida por análisis BJH. La figura 2 muestra la comparación de la distribución del tamaño de poro de la zirconia sulfatada y sin sulfatar, se puede observar que hay un ligero crecimiento en el tamaño de poro pero se sigue manteniendo en el rango de un material mesoporoso, sin embargo al tener un mayor tamaño de poro reduce su área superficial lo cual es comprobado con el análisis BET obteniendo un área superficial de 132.2 m2/g. Al observar cómo se reduce el área superficial debido a la sulfatación se realizaron sulfataciones con distinta concentración para observar el efecto que tiene en el área superficial, los resultados se muestran a continuación en la tabla II. Como se puede observar ocurre una disminución en el área superficial de la zirconia al tener mayor acidez, este es un factor importante ya que el área superficial desempeña un papel importante en los Fig. 2. Distribución del tamaño de poro para la zirconia vía microondas sulfatada, curva obtenida por análisis BJH. 23 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. Tabla II. Área superficial a diferentes concentraciones de acidez. Acidez (% w/w) Área superficial (m2/g) 1.6 132.2 2.1 118.4 2.7 103.8 catalizadores pero esta disminución de área es nivelado al tener mayor acidez, ya que la acidez cataliza la reacción para obtener biodiesel, esto se confirma en los resultados en la síntesis de biodiesel. Difracción de rayos-X A continuación se mostrarán los resultados obtenidos en la difracción de rayos-X, para poder identificar los picos se utilizó como base la figura 3 la cual presenta los patrones característicos de cada estructura que puede presentar la zirconia32 De la figura 4 a la figura 6 se muestran los difractogramas de la zirconia sintetizada vía microondas. Se registraron mezcla de fases, siendo la fase predominante la tetragonal, esto se traduce en un gran logro tomando en cuenta dos aspectos importantes en la síntesis: (i) la atmósfera empleada fue aire y (ii) se controló sólo la potencia 1500 W y la frecuencia de 2.45 GHz. Fig. 4. Difracción de rayos-X en polvo de la zirconia a 30 s de calentamiento en microondas. Fig. 5. Difracción de rayos-X en polvo de la zirconia a 60 s de calentamiento en microondas. Fig. 3. Patrones de difracción de rayos X típicos de la zirconia. (A) 100% zirconia monoclínica, (B) 100% zirconia tetragonal y (C) 100% zirconia cúbica. 24 Fig. 6. Difracción de rayos-X en polvo de la zirconia a 90 s de calentamiento en microondas. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. En la figura 4 se puede observar que se obtiene zirconia en fase tetragonal por los picos característicos en los ángulos de difracción aproximadamente en 30°, 35° y 60°, conforme se va incrementando el tiempo de reacción se puede observar una aparición de un pico a un ángulo de difracción ~28° (figura 5), este pico es característico de una fase monoclínica y se ve cómo incrementa al avanzar aún más el tiempo de reacción (figura 6) pero al mismo tiempo se observa cómo ocurre un desdoblamiento de los picos que se encuentran a ~35° y a ~60°, esto indica la formación de una fase tetragonal más definida, sin embargo se comienza a formar una fase monoclínica en el sistema la cual puede ser una de las causas de la morfología final de la zirconia y puede afectar en sus propiedades catalíticas en la producción de biodiesel. En la figura 7 se muestran los difractogramas de la zirconia sintetizada vía microondas sulfatada por el método de impregnación, en los difractogramas se puede observar que después de la sulfatación no ocurrió ningún cambio en la estructura de la zirconia, sin embargo esto no confirma que no haya sucedido un cambio en la morfología ya que la sulfatación es un proceso que se da en la superficie de la zirconia y es probable que haya un crecimiento en el tamaño de partícula. Sabemos que con el tiempo la temperatura que alcanza el sistema va aumentando, si se mantiene en un lapso de tiempo determinado la temperatura se incrementará constantemente, pero al fijar un tiempo total de calentamiento y cumplirlo mediante lapsos de calentamiento de tiempo menor se obtiene una estructura tetragonal (figura 8), ya que no alcanza la temperatura suficiente para sufrir un cambio de fase pero sí la necesaria para obtener una fase definida, en este caso la tetragonal que es la que se obtiene a menores temperaturas a comparación de la monoclínica. Fig. 7. Difractogramas de la zirconia sintetizada vía microondas sulfatada. Fig. 9. Zirconia sintetizada vía microondas en un lapso de 30 a 60 s sulfatada, 250X a 3.0kV. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 8. Difractograma de la zirconia sintetizada vía microondas en 120 s utilizando lapsos de 30 s de calentamiento. Microscopía electrónica de barrido La figura 9 es una muestra de síntesis de la zirconia vía microondas en un lapso de tiempo de 30 a 60 s, la cual está sulfatada. Se empleó el software Gatan MicroGraph para hacer análisis de imágenes, se midió el tamaño de las partículas más grandes, las cuales tienen un tamaño promedio de 24.45 μm y una desviación estándar de 4.43 μm. 25 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. Al aumentar la magnificación a 5000X, se observa que dichas partículas constan de aglomeraciones de cúmulos de partículas de morfología esférica. La figura 10 muestra uno de esos cúmulos de pequeñas partículas de morfología esférica. Se observa una distribución bimodal de tamaño de partícula. Para la distribución mayor el tamaño promedio es de 320.27 nm con una desviación estándar de 36.05 nm. Para las partículas pequeñas el tamaño promedio es de 52.30 nm y una desviación estándar de 5.31 nm. CARACTERIZACIÓN DEL BIODIESEL Cromatografía de gases En la figura 12 se muestra el cromatograma de aceite del cual se partió para la síntesis de biodiesel, se observa que se mantiene la línea base y no produce señal. Fig. 12. Cromatograma del aceite utilizado en la síntesis de biodiesel. Fig. 10. Zirconia sintetizada vía microondas en un lapso de 30 a 60 s sulfatada, 5000X a 3.0kV. La figura 11 muestra otro de estos cúmulos de nanopartículas esféricas, este mismo cúmulo se observa a 100000X, estas partículas no están sulfatadas, y tienen un tamaño promedio de 64.28 nm y una desviación estándar de 1.93 nm. Se observa que estos cúmulos constan de nanopartículas esféricas. En la figura 13 se muestra un cromatograma del biodiesel sintetizado utilizando un catalizador básico (NaOH), este biodiesel fue utilizado como estándar para encontrar los tiempos de retención del biodiesel y observar los picos característicos. El primer pico que aparece en el cromatograma es del etanol utilizado en la reacción. Los picos que aparecen a partir del minuto 17 hasta el 22 conforman los ésteres sintetizados en la reacción, podemos saber que son los ésteres ya que se inyectó una muestra de aceite y la línea base no muestra señal alguna en el período de análisis, podemos decir que el biodiesel en las condiciones mencionadas anteriormente presenta 4 picos característicos. Fig.13. Cromatograma del biodiesel sintetizado con catalizador básico. Fig. 11. Zirconia sintetizada vía microondas en un lapso de 30 a 60 s, 100000X a 3.0kV. 26 A lo largo de la reacción del biodiesel se tomaron muestras a distintos lapsos de tiempo (40, 80 y 120 minutos) y se analizaron para observar cómo progresaba la reacción, en la figura 14 se muestran los cromatogramas y se puede apreciar claramente como los picos característicos del biodiesel aumentan su intensidad al pasar el tiempo demostrando así que si se logra la transesterificación del aceite utilizando Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. la zirconia sulfatada como catalizador. Además de observar que la conversión aumenta con el tiempo se analizó el porcentaje de humedad y la densidad del biodiesel después de haberle dado un tratamiento de secado y se obtuvo una humedad de 0.08% y una densidad de 0.884 g/cm3 las cuales son ligeramente mayores comparadas con el biodiesel sintetizado de manera convencional que tiene una humedad de 0.06% y una densidad de 0.873 g/cm3, según la norma americana ASTM el biodiesel debe estar en un rango de humedad máximo al 0.05% y una densidad de 0.860 a 0.900 g/cm3, esta norma establece las especificaciones en las cuales el biodiesel puede ser utilizado como combustible. Fig. 14. Cromatogramas del seguimiento de la síntesis de biodiesel utilizando la zirconia sulfatada como catalizador. En la tabla III, se muestran los rendimientos obtenidos de la síntesis de biodiesel durante 2 horas utilizando como catalizador la zirconia y la zirconia sulfatada con diferentes concentraciones de ácido. Se observa que la zirconia sin sulfatar tiene un rendimiento bajo, mientras que la zirconia sulfatada a pesar de la disminución de área superficial cataliza la reacción por la acidez que contiene, dando rendimientos superiores al 80% en las mismas condiciones de reacción de la catálisis básica. Tabla III. Rendimientos de la síntesis de biodiesel. Rendimiento (%) Zirconia 32.3 Zirconia/SO4 (0.5 M) 88.6 Zirconia/SO4 (1.0 M) 84.8 Zirconia/SO4 (1.5 M) 85.2 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo financiero del programa PAICyT IT-152 09. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Kinast, J. A.; Tyson, K. S., Production of biodiesel from multiple feedstocks and properties of biodiesel and biodiesel/diesel blends. Final report; NREL: Golden, CO, (2003). 2. Ma, F. R.; Hanna, M. A., Biodiesel production: a review, Bioresour, Technol, 70, (1999), 1-15. 3. Haas, M. 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Demirbas, A., Biodiesel fuels from vegetable oils via catalytic and noncatalytic supercritical alcohol transesterifications and other methods: a survey, Energy Convers. Manage, 44, (2003), 2093-2109. 11. Tyagi B., Sidhpuria K., Shaik B., Jasra R.V., Synthesis of nanocrystalline zirconia using solgel and precipitation techniques, Ind. Eng. Chem. Res., 45, (2006), 8643-8650. 12. Lee† M., Lin H., Thomas J.L., Synthesis of zirconia with nanoporous structure by a 27 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. supercritical carbon dioxide microemulsion route, International Journal of Applied Ceramic Technology, 7, (2010), 874-880. 13. Kazemi F., Saberi A., Malek-Ahmadi S., Sohrabi S., Rezaie H.R., Tahriri M., A novel method for synthesis of metastable tetragonal zirconia nanopowders at low temperatures, Ceramics – Silikáty, 55, (2011), 26-30. 14. 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El residuo contenía 60% de PVC, 30% de polietileno, 7% de goma y 3% de fracción metálica. La fracción metálica se separó de forma manual. La recuperación de PVC se realizó mediante el método de flotación. Se prepararon 6 mezclas de PVC con residuo (R). El PVC y las mezclas se ensayaron a tracción, obteniendo una reducción de la resistencia y la ductilidad al incrementar el contenido de residuo. Esta reducción en las propiedades mecánicas se adjudicó a la heterogeneidad de los componentes de la mezcla. Palabras clave Cloruro de polivinilo, propiedades mecánicas, reciclado mecánico de PVC ABSTRACT In this work the mechanical properties of poly-vinyl chloride (PVC) from waste electrical wires were evaluated. The waste was composed of 60 wt% PVC, 30 wt% PE, 7 wt% rubber and 3 wt% metallic fraction. The metal was removed manually. PVC was recovered using flotation method. Six PVC/waste blends were prepared. Tensile tests were performed on PVC and blends. Both strength and ductility were reduced as increasing waste content. The reduction in mechanical properties was caused by several heterogeneities presents in the blends. KEYWORDS poly-vinyl chloride, mechanical properties, mechanical recycling of PVC INTRODUCCIÓN El PVC es un material que posee una combinación química de carbono, hidrógeno y cloro. Sus componentes provienen de la sal (57%) y del petróleo o gas natural (43%) principalmente, lo que le convierte en uno de los materiales poliméricos menos dependiente de combustibles fósiles.1-3 Dentro de las características generales del PVC se pueden destacar tanto su elevada resistencia y baja densidad (aproximadamente 1.4 g/cm3) como su versatilidad en diversas aplicaciones gracias al uso de aditivos que le confieren rigidez o flexibilidad. Otra característica a resaltar es que el PVC es estable e inerte, por lo que se utiliza en productos sanitarios y tuberías de agua potable. También, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 29 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. el PVC destaca por sus propiedades ignífugas, y es ampliamente utilizado como aislante eléctrico. Su bajo coste y elevada rentabilidad, combinado con la amplia gama de productos que pueden ser obtenidos a partir de diferentes técnicas y condiciones de procesamiento, hacen que el PVC se convierta en uno de los termoplásticos mayormente utilizados.1,2 De hecho, el consumo de PVC ha llegado a superar los 35 millones de toneladas al año.1,3-6 No obstante, esta enorme producción de PVC ha traído como consecuencia una gran expansión de residuos, con lo cual, su eliminación (en términos ambientales) ha adquirido una creciente importancia en la industria transformadora del plástico. Hasta hace unos años, la vía más sencilla para la eliminación de desechos de PVC era la de los vertederos. No obstante, esta alternativa ha comenzado a ser cada vez menos viable debido a la disminución de las áreas disponibles para el vertedero, además del coste que genera. Otra alternativa es la incineración, la cual se lleva cabo junto con otros residuos sólidos urbanos. Esta última vía ha sido tema de controversia, ya que mientras algunos estudios señalan que la combustión de residuos de PVC no conlleva daños al medio ambiente, otros estudios indican que no siempre se puede controlar las emisiones, incrementando la posibilidad de riesgos ambientales asociados con el cloruro de hidrógeno.2,7-9 A día de hoy, la ruta más adecuada es el reciclado mediante la recuperación del PVC. Según datos recopilados,9,10 el reciclaje del PVC ha aumentado notoriamente en los últimos años, y es hoy en día un tema de creciente interés para varios trabajos de investigación.5 A pesar de las ventajas que conlleva el reciclado,11,12 sólo una pequeña parte de los residuos de PVC es reutilizada, aunque es importante resaltar que existen ya numerosos programas de reciclaje. Por ejemplo, Vinyl 2010 se estableció en el año 2000 con los objetivos enfocados en: minimizar el impacto medioambiental de la producción de PVC, promover el uso responsable de los aditivos, reducir los residuos y, aumentar la recogida y el reciclado. Según los datos proporcionados,13,14 cerca de 194 950 toneladas de PVC fueron reciclados en el 2008, un incremento del 30% sobre el año 2007 cuando se reciclaron cerca de 149 500 toneladas, 30 lo que representó un reciclaje de aproximadamente de 2.5% del consumo total de PVC en Europa. La figura 1 muestra la cantidad de PVC reciclado en Europa desde 2003 hasta 2008 e indica claramente el rápido aumento de la tasa de reciclaje en los últimos años.13,14 Entre los países europeos, Alemania es internacionalmente considerada como el país más avanzado en el reciclado del PVC, y cuenta además con el mayor número de empresas recicladoras.13-15 Otro ejemplo de programa de reciclaje es Recovinyl, organización creada en el año 2003 por Vinyl 2010 para garantizar un suministro constante de residuos post-consumo de PVC. Este programa ha tenido como objetivos particulares: facilitar la recogida, clasificar, despachar y reciclar los desechos de PVC (principalmente de los desechos provenientes del sector de la construcción). Todo ello mediante la participación e incentivación de las empresas acreditadas para la recuperación de residuos de PVC y su reciclado. En el año 2011, Recovinyl estuvo activo en 16 países europeos, con 148 empresas recicladoras y un volumen de 253 086 toneladas de residuos postconsumo de PVC. Un año atrás (2010), empresas recicladoras españolas invirtieron en el aumento de la capacidad de sus plantas, con la finalidad de incrementar significativamente el reciclaje de residuos de PVC, principalmente de residuos provenientes de cables eléctricos. Lo anterior se reflejó claramente en el incremento en volumen de residuo de PVC reciclado en España durante el año 2011, que fue del 58.91% frente al año 2009.13, 14 Fig. 1. Grafica que muestra la tendencia sobre la cantidad de PVC reciclado en Europa ref. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. A pesar de que en la actualidad existen numerosos métodos y técnicas para el reciclado de plásticos, algunas de éstas técnicas de reciclaje no llegan a ser del todo favorables para el reciclado de PVC, debido principalmente a la presencia del cloro en su estructura.7 En particular, el vertido y el compostaje no son los métodos más adecuados debido a los riesgos que podría suponer la degradación oxidativa del PVC para el medio ambiente.3 La incineración y la pirolisis también pueden llegar a ser contraproducentes a causa de las grandes cantidades de cloruro de hidrógeno y otros productos tóxicos que se liberan durante la calcinación del PVC.15 Por lo anterior, los métodos de reciclado químico y mecánico son lo que han dado (hasta el momento) los mejores resultados.1 El método de reciclado químico se basa en la descomposición del material para obtener monómeros con los cuales, a partir de un proceso de polimerización, se obtienen nuevos materiales y/o productos.7,10,15,16 El reciclado químico puede realizarse mediante diversas técnicas de procesado (despolimerización por hidrogenación, disolución, solvolisis), siendo la disolución el proceso que se utiliza mayoritariamente en el reciclado de PVC. El método de reciclado mecánico es un proceso físico que, por lo general, se lleva a cabo cuando se conoce la formulación del material (generalmente en un proceso petroquímico), y cuando se conoce la procedencia de los residuos sólidos urbanos (materiales post-consumo), muy importante en el caso del PVC. Los procesos convencionales de reciclado mecánico implican la limpieza, la separación, la molienda y la transformación, y no conllevan ningún cambio en la composición química del material. En el caso que se conozca la formulación del material, las etapas de limpieza y separación no suelen ser necesarias. El volumen de los residuos de PVC a reciclar, la calidad y el costo de la ordenación y separación de los materiales, son algunos de los factores más importantes que determinan el costo final del PVC reciclado mecánicamente. Es sabido que la falta de homogeneidad, debido a la presencia de otros materiales termoplásticos y aditivos que contienen los residuos de PVC, es uno de los problemas a Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 considerar dentro del reciclado mecánico, ya que da lugar a un material difícil de procesar y con fases no miscibles que conllevan complicaciones ya sea al momento del reprocesado o bien durante el proceso de transformación. Por lo anterior, surge la idea de realizar un trabajo de investigación cuyo objetivo general sea analizar el reaprovechamiento del reciclaje mecánico del PVC, utilizando como residuo material procedente de cables eléctricos. El objetivo particular del presente trabajo es evaluar la viabilidad de reciclaje del PVC para la fabricación de nuevos productos, en función de las propiedades mecánicas obtenidas a tracción. MATERIALES En este trabajo se utilizó el PVC comercial BENVIC® EPA0100900AA, suministrado por Solvay Benvic, el cual es un PVC plastificado con una densidad de 1.38 g/cm3, una tensión a la rotura de 10 MPa y una deformación a la rotura de 225 %. Para las mezclas se utilizó un residuo (R) proveniente de cables eléctricos, el cual fue suministrado por una empresa autorizada de gestión de residuos de cable eléctrico con sede en Catalunya, España. Según esta empresa, la composición en peso de este residuo puede llegar a ser de: 60% PVC, 30% polietileno, 7% goma y 3% fracción metálica. MÉTODOS EXPERIMENTALES Los cables eléctricos se constituyen básicamente de un alma conductora (alambre de cobre o aluminio) y un aislante (mezcla de PVC, polietileno y elastómeros). Durante el proceso de reciclado, lo primero que se retira es el material conductor debido a su valor comercial. No obstante, siempre quedan restos de metal que deben ser removidos del residuo previo al reciclado. En este trabajo, la separación de la fracción metálica contenida en el residuo se llevó a cabo de forma manual, por lotes de aproximadamente 100 gr. Una vez retirado el metal, la recuperación de PVC se realizó mediante el método de separación por diferencia de densidades (conocido también como proceso de selección por flotación). Para ello, el residuo libre de metal se colocó dentro de un vaso de precipitado y se utilizó agua (ρ = 1 gr/cm3) como 31 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. Tabla I. Nomenclatura, composición nominal y apariencia física de los materiales empleados. Nomenclatura Composición nominal en peso PVC 100 % PVC PVC/7R 93 % de PVC virgen + 7 % de residuo PVC/15R 85 % de PVC virgen + 15 % de residuo PVC/25R 75 % de PVC virgen + 25 % de residuo PVC/50R 50 % de PVC virgen + 50 % de residuo PVC/75R 25 % de PVC virgen + 75 % de residuo R 100 % residuo 32 Apariencia de la mezcla triturada Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. medio de suspensión. Posteriormente, el residuo de PVC recuperado se colocó dentro de una estufa con circulación forzada de aire (J.P. Selecta®) a 80ºC durante 24 h. Las mezclas PVC/R se realizaron en una mezcladora de rodillos contrarotantes IQAP-LAP modelo RL-110. La temperatura de los rodillos fue de 210ºC, y tanto la velocidad como la distancia entre los rodillos tuvieron que ser modificadas a conveniencia. A pesar de que la mezcladora de rodillos no proporciona un elevado grado de mezclado, es bastante eficaz para intentar evitar la degradación del PVC, el cual puede liberar ácido clorhídrico durante su descomposición. El procedimiento de mezclado es bastante simple, primero se coloca la mezcla PVC/R sobre los rodillos atemperados, haciéndola pasar poco a poco, y se aumenta la distancia entre los rodillos con la finalidad de obtener una película cada vez más gruesa. Posteriormente, la película obtenida se tritura para poder transformar el material. Es importante resaltar que el mismo procedimiento se aplicó al PVC virgen para poder comparar el efecto del contenido de residuo bajo un mismo tratamiento de mezclado. La tabla I muestra la nomenclatura y composición de los materiales analizados en este trabajo. Tanto el PVC como las mezclas PVC/R fueron transformadas mediante el proceso de compresión, utilizando una prensa de platos calientes IQAPLAP modelo PL-15. Es importante resaltar que la preparación de placas, con un espesor homogéneo y una buena calidad superficial, conllevó un gran esfuerzo. En un principio se pensó en preparar placas sin hacer pasar el material a través de la mezcladora a de rodillos. Así, utilizando solamente el residuo, al aplicar una temperatura de 210 ºC y 11 bares de presión durante 1 minuto, se obtuvo una placa de 4 mm de espesor con muy poca homogeneidad y una gran cantidad de material infundido (figura 2a). Al aumentar la temperatura se obtuvo una placa con menor cantidad de material infundido, pero con una pésima calidad superficial (figura 2b). Al incrementar aún más tanto la temperatura como la presión (figura 2c), la calidad de la placa obtenida no presentó variaciones significativas respecto a lo mostrado en las figuras 2a y 2b. Debido a los resultados obtenidos, se decidió realizar dos pasos de compresión. Así, a la placa de la figura 2a, se le aplicó nuevamente el proceso de compresión (bajo las mismas condiciones de presión y temperatura) pero utilizando ahora un marco de 1 mm de espesor, el resultado puede apreciarse claramente en la figura 3a. A pesar de que esta placa presentó una sustancial mejora superficial, el material mostró poca adherencia entre sí, con lo cual la placa se rompía fácilmente sólo con ser doblada con las propias manos. En base a lo anterior, se decidió pasar el residuo por la mezcladora de rodillos IQAP-LAP, y realizar dos pasos de compresión. De esta forma, el material ya mezclado y triturado se comprimió dos veces a una temperatura de 210 ºC y una presión aplicada de 11 bares durante 1 min, obteniéndose finalmente una placa homogénea. El cambio visual es bastante notorio según se puede apreciar en la figura 3b. Este mismo procedimiento se aplicó tanto al PVC como a las mezclas PVC/R utilizando las concentraciones de residuo presentadas en la tabla b c Fig. 2. Fotografías correspondientes a las placas de 100 % residuo, obtenidas mediante el método de compresión: a) compresión bajo las condiciones expuestas en métodos experimentales, b) compresión aumentando la temperatura y c) compresión incrementando la temperatura y la presión. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 33 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. deformación a rotura (εb). Los valores presentados en este trabajo corresponden al promedio de al menos 8 ensayos válidos. La observación de la superficie de rotura se realizó con una lupa microscópica modelo Carton. a b Fig. 3. Fotografías correspondientes a las placas de 100 % residuo obtenidas mediante: a) mezclado manual y comprimida dos veces, y b) previamente mezclado mediante rodillos y comprimida dos veces. I. Visualmente, las placas correspondientes a las mezclas PVC/R variaron de tonalidad en función del contenido de residuo, según se aprecia en la figura 4. A partir de las placas obtenidas se troquelaron probetas halterio tipo IV, utilizando una troqueladora CEAST modelo 6051. Las probetas fueron utilizadas para la caracterización mecánica de los materiales (figura 4). Fig. 4. Fotografía correspondiente a la evolución de la tonalidad del color en las placas conforme se aumenta el contenido de residuo. Se aprecia también una probeta de tracción troquelada directamente de una de las placas. La caracterización mecánica se llevó a cabo mediante ensayos a tracción uniaxial (siguiendo lo establecido por la norma ISO 527), utilizando una máquina de ensayos universal modelo Galdabini Sun 2500, equipada con una célula de carga de 5kN y un videoextensómetro Mintron OS-65D. Las probetas se ensayaron a una velocidad de separación de mordazas de 10 mm/min y temperatura ambiente (22 ± 1ºC), y se obtuvieron las correspondientes curvas esfuerzo Vs deformación. A partir de dichas curvas se determinó la tensión máxima (σm) y la 34 RESULTADOS Obtención de residuo La selección por flotación permitió determinar la cantidad en peso de dos porciones de mezclas: una fracción ligera (en su mayoría compuesta de polietileno y goma, con densidades inferiores a la del agua), y una fracción pesada (no flotante) que correspondió mayoritariamente al PVC. La tabla II muestra los resultados de separación obtenidos. Según los resultados presentados en la tabla II, el residuo contenía aproximadamente un 77 % en peso de PVC. Tabla II. Composición promedio del residuo mediante separación por flotación. Muestra (100 g) Fracción ligera (gr) Fracción pesada (gr) 1 23.7 76 2 25.5 74.2 3 22.8 76.9 4 18.4 79.4 5 23 76.7 Contenido (%) 23 ± 0.03 77 ± 0.02 Propiedades mecánicas La figura 5 muestra las curvas tensión Vs deformación correspondientes al PVC, al residuo y a las mezclas PVC/R. Todos los materiales ensayados rompieron de manera similar, sin evidenciar un claro punto de fluencia y alcanzando un valor de tensión máximo previo a la rotura. Físicamente, las probetas no presentaron una deformación localizada o cuello, estirándose homogéneamente hasta la rotura. La diferencia mayor se puede apreciar en la figura 5f, donde el área bajo la curva del residuo disminuye drásticamente en comparación con la del PVC. La tabla III presenta los parámetros mecánicos (σmáx y εb) obtenidos a partir de las curvas esfuerzo Vs deformación. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. a b c d e f Fig. 5. Curvas esfuerzo vs deformación representativas de: a) PVC/7.5R, b PVC/15R, c) PVC/25R, d) PVC/50R, e) PVC/75R y f) PVC y 100 % residuo. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 35 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. Tabla III. Parámetros mecánicos obtenidos en función del contenido de residuo. Contenido de σmáx (MPa) residuo (%) εb (%) 0 9.23 ± 1.03 268.4 ± 55.25 7.5 5.91 ± 0.73 155.4 ± 30.06 15 4.02 ± 0.35 85.32 ± 21.13 25 4.07 ± 0.57 77.21 ± 23.74 50 2.36 ± 0.35 28.78 ± 8.41 75 2.43± 0.096 14.4± 1.35 100 2.51± 0.33 7.27± 1.55 Tal como cabría esperar, la tensión máxima y la deformación disminuyen drásticamente al incrementar el contenido de residuo. Lo anterior se podría atribuir principalmente a la heterogeneidad que presenta el residuo, con tamaños diversos de partículas no fundidas, tal como se puede apreciar en las imágenes correspondientes a la superficie de rotura de las probetas de tracción mostradas en la figura 6. EL PVC muestra una superficie de rotura muy homogénea y aparentemente sin cavitaciones (figura 6a), mientras que la superficie de rotura a b c d e f g Fig. 6. Fotografías correspondientes a la superficie de rotura del: a) PVC, b) PVC/7.5R, c) PVC/15R, d) PVC/25R, e) PVC/50R, f) PVC/75R y g) 100 % residuo 36 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. de las mezclas PVC/R (figura 6b-g) presentaron cavitaciones y varias partículas infundidas de diversos tamaños. En la figura 6, se puede apreciar que al aumentar el contenido de residuo, el número de partículas infundidas aumenta notoriamente. En base a lo anterior, es posible asumir que las partículas infundidas no se encuentran completamente adheridas al PVC, con lo cual la resistencia disminuye, aunado a lo anterior, el incremento de las partículas infundidas estaría favoreciendo la rotura prematura del material, justificando así el bajo valor de resistencia y ductilidad obtenidos en las mezclas PVC/R. La figura 7 muestra la evolución de los parámetros mecánicos (σmax y εb) obtenidos respecto al contenido de residuo. Tal como se ha mencionado, al añadir el residuo al PVC, la resistencia disminuye. No obstante esta reducción no llega a ser continua, tal como se puede apreciar en la figura 7a. Con un 7.5 % de residuo, la resistencia llega a disminuir aproximadamente un 36 %, mientras que con un contenido de residuo comprendido entre un 15-25 % en peso, la resistencia máxima disminuye hasta un 57 %; y finalmente, a partir de un 50 % de residuo, la resistencia disminuye un 74 % respecto a la del PVC. A diferencia de lo observado en las tendencias obtenidas para el esfuerzo máximo, la deformación a rotura de las mezclas PVC/R tiende a disminuir continuamente al aumentar el contenido de residuo (figura 7b). Así, con un 7% de contenido de residuo, la deformación disminuye un 42% respecto al PVC y hasta un 97% utilizando sólo residuo. Es importante resaltar que al aumentar el contenido de residuo, la desviación estándar obtenida se reduce considerablemente debido a la poca dispersión de los resultados, lo cual se ha atribuido a la heterogeneidad del mezclado, ya que al aumentar el contenido de residuo, se incrementa también el número de partículas infundidas, las cuales impiden que el material alcance los valores de esfuerzo y deformación esperados. CONCLUSIONES En este trabajo se analizó el comportamiento mecánico de mezclas de PVC con el residuo proveniente de cables eléctricos. La separación por flotación reveló que el residuo contenía aproximadamente un porcentaje promedio del 77 % en peso de PVC. El residuo y las mezclas PVC/R necesitaron de dos pasos de moldeo por compresión para obtener placas con un espesor homogéneo y una buena calidad superficial. El PVC también fue sometido al mismo proceso de compresión para comparar adecuadamente los resultados. El comportamiento mecánico mostró que tanto la resistencia como la ductilidad disminuyen al aumentar el contenido de residuo, y se atribuyó a la heterogeneidad de las mezclas y a la presencia de partículas infundidas. Los resultados experimentales obtenidos señalan que las mezclas de PVC/R poseen un rendimiento muy limitado en aplicaciones donde el material esté sometido a esfuerzos o cargas bajo tracción. a b Fig. 7. Efecto del contenido de residuo sobre: a) el esfuerzo máximo y b) la deformación a rotura. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 37 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. A pesar del pobre rendimiento mecánico obtenido, los autores consideran este trabajo un primer paso en la mejora de las propiedades mecánicas de mezclas PVC/R, y se encuentran aplicando nuevas rutas de mejora, dentro de las cuales se podrían destacar el uso de extrusoras que permitan obtener un adecuado mezclado de los materiales o bien, reducir y homogeneizar el tamaño del residuo a través de tamices. REFERENCIAS 1. Braun, D., PVC — origin, growth, and future. Journal of Vinyl and Additive Technology, 2001. 7(4): p. 168-176. 2. Hegberg, B.A., W.H. Hallenbeck, and G.R. Brenniman, Plastics recycling rates. Resources, Conservation and Recycling, 1993. 9(1–2): p. 89-107. 3. Yarahmadi, N., I. Jakubowicz, and L. Martinsson, PVC floorings as post-consumer products for mechanical recycling and energy recovery. 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Polymer Engineering & Science, 1999. 39(7): p. 1234-1241. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos de orden reducido Eduardo Manuel Guardia Ramírez A, Manuel Antonio Andrade SotoB, Ernesto Vázquez MartínezB Comité de Operacion Económica del Sistema Interconectado Nacional, Lima, Perú B Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME eguardia@coes.pe, manuel.andradest@uanl.edu.mx, evazquez.mtz@gmail.com A RESUMEN Este artículo presenta una técnica, basada en mediciones fasoriales, para clasificar jerárquicamente generadores síncronos, permitiendo la representación, en un plano ángulo-frecuencia, de las oscilaciones electromecánicas que se presentan en un sistema de potencia. Este marco analítico permite obtener modelos de orden reducido de un sistema de potencia radial, lo que hace posible evaluar la evolución del sistema a través de dos índices de seguridad basados en el criterio de áreas iguales. El método toma en cuenta el contenido modal de las señales medidas, capturándola de simulaciones de estabilidad transitoria. La eficiencia de la técnica presentada se estima por medio de simulaciones computacionales de los modelos estimados. PALABRAS CLAVE Estimación de modelo inter-área, criterio de áreas iguales, estabilidad transitoria, modelo de orden reducido, medición fasorial. ABSTRACT This paper presents a technique based upon phasor measurements, to hierarchically classify synchronous generators, allowing the representation, in an angle-frequency plane, of the electromechanical oscillations arising in a power system. This analytical framework is useful for obtaining a reducedorder model of a radial power system, making possible to evaluate the evolution of the system through two security indices based on the equal area criterion. The method takes into account the modal content of the measured signals, thus captured from transient stability simulations. The efficiency of this technique is determined by means of computer simulations of the estimated models. KEYWORDS Inter-area mode estimation, equal area criterion, transient stability, reducedorder model, phasor measurement. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 39 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. INTRODUCCIÓN La confiabilidad es un factor clave cuando se trata de la operación de un sistema de potencia.1 Para tener un servicio confiable, la integridad de una red eléctrica debe mantenerse. Aunque en las últimas dos décadas gran parte del interés se ha enfocado en la identificación y análisis de características modales electromecánicas a partir de datos medidos directamente del sistema de potencia,2 ha sido hasta recientemente que la expansión de las mediciones fasoriales sincronizadas ha permitido a los operadores tomar acciones en tiempo real basándose en datos medidos. Un modelo preciso de los procesos transitorios debe capturar características temporales dominantes de la dinámica del sistema observado y relacionar estas características con aspectos específicos de interés.3 Esto es particularmente cierto en el desarrollo de sistemas de medición y control de área amplia, en los que el impacto específico de los dispositivos o eventos en el comportamiento dinámico del sistema debe ser adecuadamente analizado.4 Estudios anteriores, encontrados en la literatura, se han centrado en la identificación de los mecanismos para la inestabilidad y el análisis de la variabilidad de los datos medidos teniendo en cuenta mediciones fasoriales sincronizadas seleccionadas. Otros autores han desarrollado técnicas analíticas que buscan mantener la dinámica del sistema, al tiempo que reducen la complejidad de los modelos. La metodología presentada en este artículo tiene por objeto representar una parte de un sistema de potencia como un equivalente de orden reducido y, a partir de éste, evaluar el nivel de seguridad del sistema en faltas graves. Lo anterior, utilizando la información sobre el estado operativo del sistema y la dinámica proporcionada por mediciones fasoriales. Se incluye la comparación de los resultados numéricos obtenidos por el método propuesto empleando simulaciones numéricas. Se ha demostrado que el procedimiento propuesto tiene un gran atractivo y puede ser utilizado para la evaluación en línea de la seguridad del sistema eléctrico. Implementación de la Plataforma de Prueba En esta sección se presenta la metodología para 40 la implementación de la plataforma de análisis propuesta. Adecuadamente para la aplicación, los datos del estudio se procesaron utilizando una ventana deslizante, cuyo tamaño se consideró mayor que 50 muestras. Esto representa al menos 0.49 s de datos medidos por ventana (para un tiempo de muestreo Δt=10 ms). Agrupamiento Jerárquico En este trabajo, se utilizó la herramienta de agrupamiento jerárquico aglomerativo.5,6 Con esta herramienta es posible determinar la ubicación eléctrica de los generadores síncronos de acuerdo a la zona a la que corresponden mediante la evaluación de su oscilación coherente. Para esto, la matriz de medición, M, se define como con ⎡ m1 ⎤ ⎢m ⎥ M = ⎢ 2⎥ ⎢ # ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ mn ⎦ mi = [θi (1) fi ] (2) donde θi y fi son el ángulo de voltaje y la frecuencia del i-ésimo bus de generación, respectivamente, y n es el número de buses generación. El centro eléctrico de un sistema de energía es análogo al centro de masa de un sistema de partículas5. Esto puede ser demostrado por el hecho de que la dinámica de ambos sistemas es descrita por la segunda ley del movimiento de Newton. La estrecha relación entre un sistema eléctrico y uno mecánico se muestra en la tabla I. En consecuencia, el vector de constantes inercia, H, para las n partículas análogas correspondientes a los n generadores está dado por ⎡ H1 ⎤ (3) H = ⎢⎢ # ⎥⎥ . ⎢⎣ H n ⎥⎦ Tabla I. Analogía entre sistemas eléctricos y sistemas mecánicos. Sistema Mecánico Sistema Eléctrico Masa (m) constante de inercia (H) Coordenadas (x, y) Atributos (θ, f) Centro de masa Centro Eléctrico Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. Del mismo modo, de acuerdo con (2), el vector de atributos, A, está dado por ⎡ θ1 + jf1 ⎤ (4) A = ⎢⎢ # ⎥⎥ , ⎢⎣θn + jf n ⎥⎦ donde j es la unidad imaginaria. El centro eléctrico, en un dominio bidimensional, se calcula entonces de la siguiente manera: n cx = ∑H i =1 i Re{ Ai } ∑H i =1 n cy = , n ∑H i =1 i i (5) Im{ Ai } . n ∑H i =1 i Estimación del Modelo Inter-área El método de estimación del modelo inter-área (IME)7–9 permite estimar los parámetros eléctricos de un sistema de potencia de orden reducido de dos áreas a partir de las mediciones fasoriales de los voltajes y corrientes en la interconexión. El método calcula las constantes de inercia (H), reactancias equivalentes (x), y voltajes internos y ángulos (E, δ) de los generadores para la red equivalente correspondiente. Se puede simplificar un gran sistema eléctrico radial preservando al mismo tiempo sus características dinámicas con una precisión aceptable. Se asumen modelos clásicos de los generadores síncronos y líneas de transmisión de parámetros concentrados para el modelado del sistema equivalente. La figura 1 muestra un gran sistema eléctrico radial y su equivalente de orden reducido. En este caso, E1 y E2 son los voltajes internos de los generadores equivalentes de modelo clásico, z1 y z2 son las impedancias equivalentes para cada área, y ze es la impedancia de la línea de enlace. Para poder hacer uso de esta técnica de estimación, es necesario disponer de mediciones fasoriales de los voltajes de los nodos de envío y recepción, así como la corriente a través de la interconexión. El método IME se compone de dos etapas principales: el método de extrapolación de reactancia (estimación de la reactancia equivalente para cada Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 1. Gran sistema de potencia radial: (a) sistema completo y (b) equivalente de orden reducido de dos áreas. área, x1 y x2) y la estimación de las inercias de las máquinas equivalentes (H1 y H2). La ecuación de oscilación global del sistema, despreciando el amortiguamiento y las pérdidas, está dada por HH �= δ� = Ωω, 2 1 2 ω H1 + H 2 (6) H 2 Pm1 − H1 Pm2 E1 E2 − sen δ, H1 + H 2 x1 + x2 + xe donde ω=ω 1-ω 2 es la velocidad angular de las máquinas equivalentes y δ=δ1-δ2 es la diferencia de los ángulos de los voltajes internos. Con el fin de representar con exactitud un gran sistema radial de potencia con un modelo de orden reducido, es necesario calcular todos los parámetros equivalentes que aparecen en (6). Extrapolación de reactancias Como un primer paso, el voltaje en el enlace se expresa como una función de la impedancia. La figura 2 muestra un circuito básico donde los puntos extremos A y B representan los nodos internos de cada área equivalente. C es un punto en cualquier lugar de la línea A–B con una impedancia z=r+jx vista desde B. 41 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. Fig. 2. Circuito simplificado de un sistema de dos áreas. Supongamos que Ĩ es el fasor de corriente de A a B, por lo tanto el voltaje en el punto C está dado por V� (r , x) = E� 2 + (r + jx) I� = E2 + r + jx (E1 cos δ + jE1 sen δ − E2 ) re′ + je′ (7) = E2 (1 − a ) + E1 (a cos δ − b sen δ) + j (E1 (b cos δ + a sen δ − bE2 ) ), donde a= rre′ + xxe′ , re′2 + xe′2 (8) xre′ − rxe′ . re′2 + xe′2 La magnitud del fasor se define como V (r , x) = V� (r , x) b = Fig. 3. Sistema de potencia radial con bus intermedio. = c + 2 E1 E2 ((a − a 2 − b 2 ) cos δ− b sen δ ) (9) =V (a, b, δ), donde c = E22 b 2 + (1 − a ) 2 + E12 a 2 + b 2 (10) es una constante. Linealizando (6) y (9) en el punto de equilibrio (δ0,ω0=0,Vss) se tiene ( ) ( ) Δδ� = ΩΔω, � = 2 H Δω E1 E2 zm ( H1 + H 2 ) ( H 2 sen(δ0 + α) − H1 sin(δ 0 − α ) ) Δδ, ΔV ( x ) = ( ) V ( a , b, δ 0 ) Δδ. Si la resistencia re′ se desprecia, entonces x a= , xe′ (12) y (11) se simplifica como 42 a (1 − a ) Δδ. V ( a, δ 0 ) xe 2 . a3 = x1 + xe + x2 Suponiendo, por simplicidad, que el nodo 3 está situado a medio camino entre los nodos 1 y 2, entonces z V�3 = V�1 − j e I�. 2 b = 0, ΔV (a, δ) = − E1 E2 sen δ0 Definiendo A = − E1 E2 sen δ0 Δδ(t0 ), (14) el voltaje normalizado en el i-ésimo nodo se calcula como Vin = VimViss = A(1 − ai )ai , (15) donde Viss es el voltaje de estado estacionario en el i-ésimo nodo medido antes de una perturbación, y x2 + xe a1 = , x1 + xe + x2 (16) x2 a2 = , x1 + xe + x2 x2 + (11) − E1 E2 sin δ 0 a − a 2 − b 2 − b cos δ 0 Considere el sistema con un nodo intermedio mostrado en la figura 3. La amplitud del voltaje oscilatorio para cada nodo, en el tiempo t=t0, se representa como Vim, i=1,2,3. Los voltajes oscilatorios Vim se asocian a un modo oscilatorio inter-área y fueron calculados utilizando el método de trazo de la función generalizado (GPoF).10 Mientras que las estimaciones modales se pueden obtener con una amplia gama de herramientas de descomposición11 (por ejemplo la transformada rápida de Fourier, el algoritmo de clasificación de múltiples señales, el método de Prony, el algoritmo de realización de eigensistemas), el método GPoF mostró tener la mejor eficiencia computacional y la mejor respuesta ante ruido.12–14 (13) (17) El voltaje Ṽ3 puede ser tanto un voltaje medido como uno estimado. En este trabajo se supone que es una cantidad medida. Resolviendo para A en (15) y reordenando, se tiene Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. V1n (1 − a2 )a2 = V2n (1 − a1 )a1 , (18) V3n (1 − a1 )a1 = V1n (1 − a3 )a3 . Por lo tanto, las reactancias x1 y x2 se calculan mediante la solución numérica del sistema de ecuaciones no lineales dado por (16) y (18). Cálculo de los voltajes internos Una vez que las reactancias equivalentes, x1 y x2, se han estimado, el cálculo de los voltajes internos es sencillo, ya que las mediciones fasoriales de Ṽ1, Ṽ2 e Ĩ están disponibles. Según la ley de voltajes de Kirchhoff, los voltajes internos están dados por E�1 = V�1 + jx1 I�, (19) E� = V� − jx I�. 2 2 2 Estimación de las constantes de inercia equivalentes Con el fin de calcular las constantes de inercia equivalentes H1 y H2 es necesario relacionar la frecuencia de modo inter-área con los parámetros del sistema. Esto se hace linealizando (11) y resolviéndola para la frecuencia de modo inter-área (en Hz) de la siguiente manera: f = 1 E1 E2 Ω ( H 2 sin(δ 0 + α ) − H1 sen(δ 0 − α ) ) 2π 2( H1 + H 2 ) Hz m , (20) donde Ω = 2πf . Resolviendo para la constante de inercia equivalente H, resulta H= E1 E2 Ω ( H 2 sin(δ 0 + α ) − H1 sen(δ 0 − α ) ) 2( H1 + H 2 ) z m (2πf ) 2 . (21) Si se desprecia la resistencia de la línea, entonces α≈ /2 rad y (21) toma la siguiente forma: E1 E2 cos δ0 Ω H1 H 2 (22) = . H1 + H 2 2( x1 + xe + x2 )(2πf ) 2 La frecuencia del modo inter-área f se calcula a partir de las señales de voltaje utilizando el método GPoF discutido anteriormente. Por otra parte, utilizando el concepto de momento angular total ∫ . . L = 2 H1ω1 + 2 H 2 ω2 = ( H1 ω1 + H 2 ω2 ) dt = ∫ (P m1 − Pe1 + Pm2 − Pe2 ) dt = 0 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 (23) y despreciando las pérdidas y el efecto de amortiguamiento, se tiene H1 ω (24) =− 2. H2 ω1 Aunque ni ω1 ni ω2 puede obtenerse de forma directa a partir de las mediciones fasoriales, pueden calcularse de las frecuencias de los voltajes de los buses ξ1 y ξ2 de la siguiente manera: a ω + b (ω + ω2 ) cos(δ1 − δ 2 ) + c1ω2 ξ1 = 1 1 1 1 , (25) a1 + 2b1 cos(δ1 − δ 2 ) + c1 donde a1 = E12 (1 − r1 ) 2 , b1 = E1 E2 r1 (1 − r1 ), c1 = r12 E22 , r1 = x1 . x1 + xe + x2 De manera similar ξ2 = a2 ω1 + b2 (ω1 + ω2 ) cos(δ1 − δ 2 ) + c2 ω2 a2 + 2b2 cos(δ1 − δ 2 ) + c2 , (26) donde a2 = E12 (1 − r2 ) 2 , b2 = E1 E2 r2 (1 − r2 ), x1 + xe . x1 + xe + x2 Las frecuencias de los voltajes de bus se calculan mediante el procesamiento de los ángulos de voltajes de bus utilizando un filtro derivativo. Después, estas señales son post-procesadas utilizando el algoritmo GPoF con el fin de tener sólo la componente del modo oscilatorio inter-área, como se muestra en la figura 4. Al resolver numéricamente (25) y (26) para ω1 y ω2, y posteriormente resolver (22) y (24), es posible calcular los valores de las constantes de inercia equivalentes H1 y H2. c2 = r22 E22 , r2 = Índices de Seguridad Se proponen dos índices basados en el criterio de áreas iguales con el fin de determinar el límite de estabilidad de primera oscilación de un sistema de potencia radial. Asumimos en esta sección que el sistema en estudio puede reducirse a la forma mostrada en la figura 1, los generadores equivalentes se representarán por el modelo clásico, y todas las pérdidas se desprecian. Para propósitos de análisis, se supone que la potencia mecánica se mantiene constante durante el 43 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. De acuerdo con lo anterior, las curvas ángulopotencia no cambian durante el tiempo de estudio. Las fallas aplicadas se liberan después de un tiempo de liberación t c=83 ms sin cambiar la topología de la red, por lo tanto las curvas ángulopotencia de pre- y post-falla son idénticas. Índice de Seguridad 1 La idea es estimar δ̂ de tal manera que maximiza la potencia transmitida (véase la figura 5), por lo tanto, E1 E2 Pe = sen δ → max, (28) x1 + x2 + xe δ=δˆ sujeto a ∫ ˆ δ+δ c δˆ Fig. 4. Ángulos, frecuencias y componentes modales de los voltajes de bus: línea continua, bus 1, línea discontinua, bus 2. Se consideran fallas trifásicas sólidas para formular los índices propuestos, ya que son éstas las que tienen el mayor impacto en la estabilidad del sistema de potencia. tiempo de estudio y es igual a la potencia eléctrica antes de la perturbación. Se puede demostrar que es posible evaluar la estabilidad transitoria del sistema en primera oscilación mediante el análisis de sólo la curva ángulo-potencia correspondiente a un único generador7,8, como indica. δ� = Ωω, ( Pe − Pe falla ) d δ − ∫ δmáx ˆ δ+δ c ( Pe post − Pe ) d δ = 0, (29) donde ω0 Pac 2 (30) tc , 4H y suponiendo una falla trifásica sólida Pac = Pm = Pe . δc = δˆ + (27) Fig. 5. Criterio de áreas iguales aplicado a la estimación de índices de seguridad. con δ=δ1-δ2. Por lo tanto, la curva ángulo-potencia asociada a (27) es suficiente para evaluar la estabilidad de todo el sistema. Se hicieron las siguientes suposiciones: Como los generadores se supusieron representados por modelos clásicos, los voltajes internos se asumen constantes. Los parámetros estimados x1, x2, xe, H1 y H2 se mantendrán constantes mientras se realiza el cálculo de los índices de seguridad. Así, el índice de seguridad propuesto para la máxima transferencia de potencia, SI1, se define como ⎛ P ⎞ SI1 = ⎜1 − e0 ⎟ , (31) ⎝ Pe lím ⎠ donde Pe0 es la potencia eléctrica a través de la interconexión antes de una perturbación, y Pe lím es la potencia máxima estimada que el sistema es capaz de transmitir antes de perder la estabilidad. Este algoritmo calcula el límite de transferencia de potencia admisible y la expresa como un índice. De esta manera, el operador puede tener una idea clara de HH E1 E2 � = Pm1 − 2 1 2 ω sen δ, H1 + H 2 x1 + x2 + xe 44 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. la cantidad de energía que todavía se puede transmitir sin comprometer la estabilidad del sistema. Índice de Seguridad 2 En esta sección, se propone un criterio para el tiempo de liberación de falla, basado en el ángulo crítico y la curva ángulo-potencia de post-falla. Si la curva paramétrica C dada por f (δ) = δ g (δ) = Pmáx sen d a ≤ δ ≤ b, (32) donde E1 E2 (33) Pmáx = , x1 + x2 + x3 es suave en el intervalo [a,b], entonces se puede demostrar que su longitud está dada por s= ∫ b 1 + (Pmáx cos δ ) d δ. 2 a (34) La longitud s:R2→R fue elegida para mapear las curvas ángulo-potencia a distancias angulares escalares como se muestra en la figura 6. Nótese que aunque δc-δb=δb-δa, la longitud δa-b no es igual a la longitud δb-c. Por lo tanto, el índice de seguridad, para un máximo tiempo de despeje de falla, SI2, se define como ⎛ s ⎞ SI2 = ⎜ c ⎟ . (37) ⎝ smáx ⎠ Fig. 7. Sistema de estudio de dos áreas y cuatro máquinas. Aplicación El sistema de estudio es un sistema de dos áreas que consta de cuatro generadores de 900 MVA y 20 kV, dos generadores por área como se muestra en la figura 7. Los parámetros de los generadores son: x´d, =0.25 pu, H=6.5 s en la base de sus MVA y kV nominales. Los parámetros de la red de 230 kV aparecen en la tabla II en una base de 900 MVA. Cada transformador elevador tiene una reactancia x=0.15 pu en una base de 900 MVA. Tabla II. Parámetros de la red. Bus de envío Bus de recepción Reactancia, x (p.u.) 1 3 0.495 1 6 0.090 Fig. 6. Longitud de una curva paramétrica C. 1 8 0.045 La distancia crítica, Sc, se define como 2 3 0.495 2 11 0.090 2 13 0.045 5 6 0.225 10 11 0.225 sc = ∫ δc 1 + (Pmáx cos δ ) d δ, 2 δrelé (35) donde δrelé es el ángulo en que la falla se puede liberar por el relé de protección, y Sc es el ángulo crítico. Además, la distancia máxima, Smáx, se define como δmáx 2 (36) smáx = 1 + (Pmáx cos δ ) d δ, ∫ δrelé donde δmáx, π2 ≤ δmáx ≤ π , es el ángulo en el que la potencia mecánica y la curva de potencia eléctrica post-falla se intersecan. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 La tabla III muestra el punto de operación del sistema, con una transferencia de potencia entre áreas de 300 MW. El análisis comprende dos escenarios: el análisis de la estabilidad transitoria del sistema después de una gran perturbación y la respuesta dinámica16 ante pequeñas perturbaciones aleatorias. Se realizaron 45 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. simulaciones utilizando el toolbox PSAT para MATLAB con el fin de comparar el comportamiento dinámico del modelo de orden reducido con la respuesta del sistema de prueba. Tabla III. Solución de flujo de cargas para la red predisturbio. Bus Voltaje de bus (p.u.) Pgen (MW) Pcarga (MW) Qcarga (MW) 1 0.9597 - - - 2 0.9511 - - - 3 0.9390 - - - 4 1.05 588.29 - - 5 1.0193 - - - 6 0.9903 - - - 7 1.05 690.25 - - 8 0.9536 - 972.99 90.33 9 1.05 594.0 - - 10 1.0177 - - - 11 0.9866 - - - 12 1.05 594.0 - - 13 0.9431 - 1485.5 88.95 Caso 1: Análisis de Estabilidad Transitoria Para el caso de estudio 1, se aplicó una falla trifásica en la mitad de la interconexión (bus 3). La falla se liberó después de 5 ciclos. Esta falla es capaz de excitar los modos electromecánicos del sistema de potencia, como se ve en las oscilaciones de la potencia transmitida a través de la interconexión mostrada en la figura 8. La figura muestra también, la magnitud, el ángulo del voltaje en los nodos 1, 2 y 3. Aunque se llevó a cabo una simulación de 10 segundos, se utilizaron ventanas estudio de 2 segundos (200 muestras), como se mencionó anteriormente. El proceso de agrupamiento de los generadores se muestra en la figura 9. En este caso, el plano de fase presenta la respuesta oscilatoria de generadores de frecuencias y ángulos. Con la topología del sistema definida por el proceso de agrupamiento, se inicia la estimación de los parámetros del modelo equivalente reducido. La frecuencia del modo inter-área se calcula en cada ventana de estudio usando el método GPoF con el fin de obtener los voltajes modales como se muestra en la figura 10. 46 Fig. 8. Potencia transmitida, magnitudes y ángulos de voltajes (línea continua, bus 1, línea discontinua, bus 2, línea de puntos, bus 3) tras el despeje de una falla trifásica. Fig. 9. Agrupamiento de los generadores en un plano de fase (ángulo vs. frecuencia): (a) ventana de análisis 1 (1–3 s), (b) ventana de análisis 2 (3–5 s), (c) ventana de análisis 3 (5–7 s), (d) ventana de análisis 4 (7–9 s). La componente modal de los ángulos de tensión se muestra en la figura 11. Una vez que se estima el modelo reducido, es posible calcular los índices de seguridad en una base ventana por ventana. Estos índices se muestran en la tabla IV, así como la frecuencia estimada del modo inter-área. La respuesta dinámica del modelo reducido se compara con la respuesta dinámica correspondiente del modelo de orden completa como se muestra en la figura 12. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. Fig. 10. Voltajes modales en los buses 1 (línea continua), 2 (línea discontinua) y 3 (línea de puntos). Fig. 12. Comparación de la respuesta dinámica del modelo completo (línea continua) con respecto a la del modelo de orden reducido (línea discontinua). Fig. 11. Ángulo de los voltajes modales en los buses 1 (línea continua), 2 (línea discontinua) y 3 (línea de puntos). Tabla IV. Frecuencia estimada del modo inter-área e índices de seguridad para el caso 1 Ventana de análisis Frecuencia modal (Hz) Índice de seguridad 1 (p.u.) Índice de seguridad 2 (p.u.) 1 0.6196 0.4451 0.4044 2 0.5739 0.4325 0.3923 3 0.5651 0.4105 0.3745 4 0.5745 0.4073 0.3724 Caso 2: Respuesta del Sistema a Perturbaciones Pequeñas En esta sección, la plataforma de análisis se prueba para pequeñas perturbaciones aleatorias que se producen durante la operación normal del sistema. Se evaluaron tres ventanas de estudio (300 muestras por ventana). La figura 13 muestra la potencia de la interconexión, la magnitud y los ángulos de los voltajes de los nodos 1, 2 y 3, mientras que la figura 14 muestra las frecuencias de los buses de Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 generación para la respuesta del sistema a pequeñas perturbaciones mientras se transmiten 300 MW. Después del agrupamiento jerárquico, con el fin de calcular los índices de seguridad, se estimaron los parámetros reducidos del sistema. La tabla V muestra los parámetros del modelo de orden reducido para el sistema, así como el agrupamiento jerárquico de los generadores. Se puede observar que los parámetros estimados del caso 2 son muy próximos a los estimados para el caso 1. La metodología propuesta logra resultados precisos sin la necesidad de que ocurra una perturbación en el sistema, es decir, la plataforma de análisis es capaz de estimar los parámetros de orden reducido y los índices de seguridad con sólo la respuesta de estabilidad dinámica del sistema de potencia. Para el caso 2, el sistema tiene un índice medio de seguridad 1 SI1medio=0.4246 pu. Es decir, el sistema tiene un margen de potencia de transmisión del 42.46% en comparación con el límite de potencia estimada de 0.5811 pu. En otras palabras, es posible enviar 0.247 pu adicionales a través de la interconexión antes de perder la estabilidad. A fin de conocer la exactitud de la estimación de límite de potencia, se llevaron a cabo varias simulaciones. La potencia máxima que el sistema fue capaz de transmitir a través de la interconexión 47 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. Tabla V. Reducción de orden del sistema de prueba e índices de seguridad. Caso 1 2 Ventana Área Área de 1 2 análisis x1 (p.u.) x2 (p.u.) H1 (s) H2 (s) E1 (p.u.) E2 (p.u.) δ1 (deg) δ2 (deg) SI1 (p.u.) SI2 (p.u.) 1 G1,G2 G3,G4 0.4501 0.0023 15.9081 12.8802 1.0055 0.9513 17.6966 -12.6520 0.4451 0.4044 2 G1,G2 G3,G4 0.4467 0.0545 16.0654 15.7804 1.0051 0.9545 17.6329 -13.7566 0.4325 0.3923 3 G1,G2 G3,G4 0.4806 0.0905 19.5808 12.9060 1.0095 0.9569 18.2733 -14.5125 0.4105 0.3745 4 G1,G2 G3,G4 0.5247 0.0575 18.6534 12.5056 1.0154 0.9547 19.1001 -13.8199 0.4073 0.3724 1 G1,G2 G3,G4 0.4817 0.0487 17.7730 15.6803 1.0096 0.9541 18.2953 -13.6339 0.4256 0.3859 2 G1,G2 G3,G4 0.4817 0.0486 19.1571 14.9459 1.0096 0.9541 18.2945 -13.6305 0.4259 0.3860 3 G1,G2 G3,G4 0.4817 0.0487 17.9170 15.5720 1.0096 0.9541 18.2938 -13.6338 0.4256 0.3859 antes de perder la estabilidad resultó ser 0.644 pu, es decir, un índice de seguridad 1 SI1=0.4828 pu, con un error del 9.7%. Además, el sistema tiene un índice medio de seguridad 2 SI1medio=0.3859 pu. Esto significa que la protección de la línea de enlace tiene un margen de tiempo máximo eficaz de 38.59% para liberar la falla con respecto a smáx. Es decir, el ángulo medio del sistema de orden reducido δ0medio=1.361 rad, lo que equivale a un tiempo crítico de liberación tcmedio=407 ms (24 ciclos), mientras que el tiempo crítico de liberación del sistema de modelo de orden completo tcmedio=416.7 ms (25 ciclos), es decir, un error del 4%. Fig. 13. Potencia transmitida, magnitudes y ángulos de voltajes (línea continua, bus 1, línea discontinua, bus 2, línea de puntos, bus 3) sin una gran perturbación en la red. Fig. 14. Frecuencia de buses de generación: bus 1, línea continua; bus 2, línea discontinua; bus 3, línea de puntos; bus 4, línea de puntos y rayas. 48 CONCLUSIONES Los resultados presentados muestran que la agrupación jerárquica así como el uso de modelos de orden reducido permiten la estimación de índices de seguridad precisos que indican la potencia restante a ser transmitida y los tiempos de máximos permisibles de liberación de fallas sin que el sistema de potencia pierda la estabilidad en el sentido de primera oscilación. El algoritmo GPoF como herramienta de extracción modal mostró ventajas computacionales, así como una mejor respuesta ante el ruido en comparación con otras técnicas de descomposición de la señal, por ejemplo el método de Prony, los métodos basados en Fourier, el algoritmo de realización de eigensistemas, o el algoritmo de clasificación de múltiples señales. La plataforma de análisis propuesta muestra un buen desempeño, siendo capaz de estimar el límite Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. de transferencia de potencia en líneas de enlace. Ésta es información crítica para la operación exitosa del sistema, ya que el operador sabría de antemano que tan cerca está el sistema de perder la estabilidad. REFERENCIAS 1. P. M. Anderson y A. A. Fouad, Power System Control and Stability, 2a ed. New York: IEEE Press; Wiley-Interscience, 2003. 2. J.W. Pierre, D. J. Trudnowski, y M. K. Donnelly, Initial results in electromechanical mode identification from ambient data, IEEE Transactions on Power Systems, vol. 12, no. 3, pp. 1245–1251, 1997. 3. J. F. 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New York: McGraw-Hill, 1994. 49 �Evaluación de la nitrificación a través de perfiles operacionales en un reactor aerobio Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, Oscar Bravo Bolaños, José Manuel Ortega Aguirre, Antonio Hidalgo Millán Universidad Autónoma de Nayarit (UAN). Área de Ciencias Básicas e Ingenierías. Programa Académico de Ingeniería Química. mangelespinosa@hotmail.com RESUMEN La nitrificación ocurre durante el tratamiento biológico de aguas residuales y depende de las características del agua y de los parámetros de operación en la planta. Este estudio está enfocado en evaluar los perfiles operacionales de OD, T, PH, OUR y alcalinidad en los reactores aerobios de una planta del tipo de lodos activados con el fin de detectar el grado de nitrificación. Los resultados de OD (> 2 mg/L), temperatura de 23.9°C, la caída del PH de 7.5 a 7.1, el alto consumo de oxígeno (50 a 70 mg/L.h) y el consumo de alcalinidad (de 399.0 a 187.5 mg/L), indicaron la ocurrencia de nitrificación. PALABRAS CLAVE Nitrificación, reactor aerobio, lodos activados, perfiles operacionales. ABSTRACT The nitrification occurs during the biological treatment of wastewater and depends on the characteristics of water and of the operation parameters in the plant. This study is focused in evaluating the operational profiles of OD, T, PH, OUR and alkalinity in the aerobic reactors of a plant of the type of activated sludge in order to detect the degree of nitrification. The results of OD (> 2 mg/ L), temperature of 23.9 °C, the fall of the PH from 7.5 to 7.1 , the high oxygen consumption (50 to 70 mg/L. h) and the consumption of alkalinity (from 399.0 to 187.5 mg/L), indicated the occurrence of nitrification. KEYWORDS Nitrification, aerobic reactor, activated sludge, operational parameters. INTRODUCCIÓN La nitrificación es el proceso a través del cual las bacterias nitrificantes transforman el ion amonio en nitrato. Las bacterias autotróficas Nitrosomonas sp., y Nitrobacter sp., son las responsables para esta conversión que se realiza en dos etapas: en la primera de ellas el amoníaco es convertido en nitrito y en la segunda etapa, el ion nitrito es convertido en ion nitrato.1 50 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. En el tratamiento de las aguas residuales urbanas, el crecimiento de los Nitrobacter sp, es siempre más rápido que el de los Nitrosomonas sp, debido a esto: 1) La velocidad de crecimiento de los Nitrosomonas es el factor crítico o limitante, y servirá de base para el dimensionamiento de la nitrificación, y, 2) La concentración en nitritos siempre será muy baja.2 Sin embargo, estas bacterias nitrificantes se caracterizan por su gran sensibilidad a los siguientes factores: a) Alcalinidad y pH En el proceso de nitrificación se destruye alcalinidad por oxidación del amonio. Por cada gramo de amonio oxidado a ion nitrato, la alcalinidad del agua residual es consumida, como CaCO3, a un ritmo de 7.14 g. 2 Como la nitrificación reduce el nivel de HCO3- y aumenta el de H2CO3 el pH disminuye. También durante la nitrificación, la alcalinidad del agua residual se incrementa ligeramente debido al consumo de CO2 de las bacterias autotróficas (el pH se incrementa), pero en una contra reacción, ésta decrece drásticamente debido a la formación de ácido (el pH decrece desde arriba del nivel neutro hasta niveles ácidos). Si la capacidad buffer (amortiguadora) del agua residual es débil, el pH caerá por abajo de 7 dando lugar a una rápida disminución de la tasa de nitrificación. 3 El pH tiene una gran influencia sobre el grado de crecimiento de los Nitrobacter sp y principalmente sobre los Nitrosomonas sp, de tal manera que la tasa máxima de nitrificación en un sistema de lodos activados ocurre a pH entre 7.5 y 8.0, y normalmente para mantener la tasa de nitrificación se debe operar a pH entre 7.0 y 7.2.4 b) Necesidades de oxígeno La demanda estequiométrica de oxígeno en el proceso de nitrificación es de 3.43 gO2/gN-NH4+ convertido a nitritos y 1.14 gO2/gN-NO2- convertido a nitratos, lo que resulta en un total de 4.57 gO2/gN oxidado. 3 Adicionalmente, al conocer que las bacterias autótrofas encargadas de la nitrificación son estrictamente aerobias, se suele considerar que para concentraciones de oxígeno disuelto (OD) entre 3 y 4 mg/L, la tasa máxima de crecimiento de los microorganismos nitrificantes empieza a disminuir, con una reducción significativa debajo de 2 mg/L. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 A concentraciones menores de 0.5 mg/L el efecto de la reducción en la nitrificación es más grande para los Nitrobacter que para los Nitrosomonas. El requerimiento de oxígeno para lograr una nitrificación completa es relativamente alto. Para la gran mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales de tipo doméstico, se incrementaría el requerimiento de oxígeno en un 30 a 40% y por consiguiente, el de energía, en caso de que se requiera nitrificar.4 El proceso de lodos activados es altamente dinámico debido a las variaciones de flujo en el influente, así como en las concentraciones y composiciones, por ello para mantener el efluente en condiciones estándar y con costos mínimos, se deben aplicar estrategias que puedan competir con las características dinámicas del proceso. La respirometría, es una variable que es de interés para el control del proceso de lodos activados y representa la medida e interpretación de la tasa de consumo de oxígeno (OUR) en condiciones experimentales bien definidas.5 c) Temperatura En un sistema de lodos activados, la nitrificación se alcanza cuando la temperatura del proceso es mayor de 15 °C. 2 Se han obtenido tasas máximas de crecimiento de microorganismos nitrificantes (μN) de 0.25 y 0.5 d-1 a temperaturas de 8 y 20 °C respectivamente; en otras pruebas se obtuvieron μN de 1.08 y 1.44 d-1 a 23°C, mientras que a 12 y 21°C se alcanzaron μN de 0.4 y 0.85 d-1 respectivamente. El efecto de la temperatura en la tasa de oxidación del amonio por Nitrosomonas en un sistema de lodos activados también han sido estudiados; de los resultados obtenidos se observó que a medida que aumentaba la temperatura, la tasa de oxidación del amonio también se incrementaba; así por ejemplo, para una temperatura de 15 °C se obtuvo un 20% de oxidación del amonio, a 20 °C un 35%, a 25 °C un 56% y a 28 °C un 100%.6 d) Edad del lodo (SRT) La nitrificación en un sistema de lodos activados no es posible si no se dota al sistema de tratamiento de una edad del lodo suficiente para que las bacterias nitrificantes puedan crecer y oxidar el amonio. Dado que las bacterias encargadas de la nitrificación 51 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. son estrictamente autótrofas, tienen una tasa de crecimiento mucho más lenta que las heterótrofas (encargadas de la degradación de la materia orgánica) y por tanto requieren un SRT mayor al normal. 4 En climas cálidos la nitrificación ocurre con SRT tan cortos como de 3 días, mientras que en climas fríos, la nitrificación ocurre a SRT tan largos como de 20 días. Cuando ocurre el consumo de materia carbonácea y nitrogenada en un mismo tanque, el rango de SRT para que se dé la nitrificación es de 8 a 10 días a temperaturas de 16 °C a 21 °C, pero a temperaturas menores de 16 °C el rango de SRT es de 12 a 20 días. 2 Se asegura una adecuada nitrificación en un sistema de lodos activados manteniendo un SRT de 15 días o más a una temperatura definida. 7 e) Sustancias tóxicas Los organismos nitrificantes son más sensibles a las sustancias tóxicas que los organismos heterótrofos y por tanto es frecuente que se vean afectados ante cualquier tipo de descarga tóxica y por tanto se inhiba el proceso de nitrificación durante largos períodos de tiempo. Las descargas de tipo industrial con metales pesados, son en la mayoría de las veces los responsables de este tipo de problemas.8 En suma, dentro de los procesos de tratamiento de aguas residuales existen tres clases de variables que afectan el funcionamiento de la planta de manera determinante: 2 1) Las características físicas y químicas del agua residual (composición de acuerdo a su procedencia), 2) Las condiciones ambientales del lugar en que se ubica la planta, y 3) Las características hidráulicas del reactor biológico utilizado. Las primeras dos clases de variables son difíciles de controlar, sin embargo la tercera si es controlable, por lo que se convierte en la parte más importante para el control operacional de la planta y representa el objetivo principal de este trabajo de investigación. METODOLOGÍA Para evaluar el proceso de nitrificación en la planta de tratamiento de aguas residuales “Dulces Nombres” ubicada en Monterrey, Nuevo León, se llevó a cabo la caracterización del agua residual, para lo cual se desarrolló una campaña intensiva de muestreo durante 7 días, en los que se tomaron muestras del tipo compuesta-tiempo (en base al gasto) durante 24 horas. Se seleccionaron puntos estratégicos de toma de muestras (figura 1), con el fin de obtener la mayor cantidad de resultados que ayudaran a evaluar el comportamiento de la planta. Fig. 1. Localización de puntos de muestreo (PTAR “Dulces Nombres”). 52 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Como se observa en la figura 1, se tomaron muestras en: influente crudo (influente después del desarenador, punto 3); lodo primario (muestra tomada en cárcamo de bombeo de lodos primarios, punto 5); efluente de la sedimentación primaria (muestra tomada en caja repartidora que alimenta a reactores, punto 6); efluente del reactor 5 (muestra tomada en caja repartidora a clarificador secundario 2, punto 9); efluente del clarificador secundario 2 (muestra tomada en canal de CS2, punto 10); recirculación del reactor 5 (muestra tomada en estación de recirculación de lodos del R5, punto 13); efluente del R1_4 (muestra tomada en caja repartidora a CS1, punto 15); efluente de CS1,3,4,5,6 (muestra tomada en cárcamo de descarga sin cloro, punto 16) y recirculación de R1_4 (muestra tomada en estación de recirculación de lodos, punto 22). Nótese que la línea del R5 es independiente y para el caso de los reactores 1, 2, 3 y 4 se muestreó sólo uno de ellos, ya que los resultados deben ser similares en cualquiera de ellos. Por otra parte, para evaluar de manera específica el comportamiento de los reactores y el proceso de lodos activados (figura 2), se realizaron estudios de perfiles operacionales en una segunda campaña de monitoreo: • Oxígeno disuelto (OD). Se monitoreó con un oxímetro durante la primera campaña de muestreo en cada una de las celdas de los reactores 4 y 5 durante 5 días (dos veces por día, 9:00 y 17:00 horas), y durante 3 días en cada una de las celdas de los 5 reactores. En una segunda campaña se monitoreo el OD durante 12 horas (cada hora durante un solo día) con la finalidad de observar la variación diurna, en cada una de las celdas de los reactores 4 y 5. • Temperatura (T). Durante la primera campaña, se hicieron mediciones con equipo portátil durante 5 días en las 4 celdas de los reactores 4 y 5 y durante 2 días en las 4 celdas de los 5 reactores. En la segunda campaña se midió la temperatura durante 12 horas (cada hora en un solo día) en las 4 celdas de los reactores 4 y 5. • Tasa de consumo de oxígeno (OUR). Para analizar este perfil, se realizaron pruebas de respirometría en las celdas B y D de los reactores 4 y 5. Estas pruebas se desarrollaron a las 9:00 AM y 17:00 PM durante los 7 días de la primera campaña. En la segunda campaña (primer día) se hicieron pruebas en las celdas B de los 4 primeros reactores (9:00 y 17:00 horas), mientras que en el segundo día se realizaron durante 12 horas (cada hora) en celdas B y D de los reactores 4 y 5. Fig. 2. Proceso de lodos activados de la PTAR “Dulces Nombres”. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 53 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Tabla I. Características fisicoquímicas afines al proceso de nitrificación en diferentes puntos de muestreo. Muestra Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado Domingo Lunes 05/02 06/02 07/02 08/02 09/02 10/02 11/02 Punto 3: Influente después del desarenador (en mg/L) N-NH3 (0.45 μm) 34.9 37.2 36.6 36.5 N-NO2 (0.45 μm) 0.3 0.2 0.3 2.3 - Alcalinidad como CaCO3 420 414 420 417 pH 7.36 7.34 7.43 7.43 Punto 6: Efluente de sedimentación primaria (en mg/L) N-NH3 (0.45 μm) 37.2 40.8 38.5 36.03 36.5 41.7 40.2 N-NO2- (0.45 μm) NA NS 0.006 NS 0.009 NS NA N-NO3 (0.45 μm) 0.6 NS 0.2 NS 0.4 NS 2.6 Alcalinidad como CaCO3 404 403 398 393 394 405 396 pH 7.39 7.415 7.45 7.485 7.5 7.505 7.56 N-NH3 (0.45 μm) 1.96 <0.2 1.624 1.736 4.89 2.83 4.34 N-NO2 (0.45 μm) NA 0.02 0.005 0.043 0.054 0.05 0.1 - Punto 9: Efluente de reactor 5 (en mg/L) - N-NO3 (0.45 μm) NA 8.9 11.6 11.6 5.4 13.7 9.2 Alcalinidad como CaCO3 533 387 460 480 516 468 433 pH 7.17 7.06 7.18 NA NA 7.19 7.14 N-NH3 (0.45 μm) 10.02 2.83 3.16 4.2 1.092 1.316 3.22 N-NO2 (0.45 μm) NA 0.025 0.004 0.084 0.7 0.052 0.105 - Punto 15: Efluente de reactor 1_4 (en mg/L) - N-NO3 (0.45 μm) NA 5.9 5.2 7.7 4.7 11.4 8.3 Alcalinidad como CaCO3 533 485 483 482 585 489 450 pH 7.11 7.03 7.1 NA NA 7.19 7.16 0.5 5.5 1.95 0.1 4 3.3 1.75 3.05 - Punto 13: RASR5: Recirculación R5 (en g/m ) 3 N-NO3- (0.45 μm) NA 0.7 3.4 2.7 Punto 22: RASR1_4: Recirculación R1_4 (en mg/L) N-NO3 (0.45 μm) NA - 0.6 0.6 NA Punto 10: Efluente de Clarificador Secundario 2 (en g/m3) N-NH3 (0.45 μm) 0.252 N-NO2 (0.45 μm) 0.19 NS N-NO3- (0.45 μm) 3.5 8.2 Alcalinidad como CaCO3 7.52 7.42 7.58 - 0.504 0.327 0.392 4.62 0.25 NS 0.37 NS 0.274 14.5 12.9 5 9.6 12.1 NA 7.63 7.6 7.6 <0.2 1.624 pH Punto 16: Efluente de Clarificadores Secundarios 1,3,4,5,6 (en mg/L) N-NH3 (0.45 μm) 8.91 2.3 1.073 3.08 N-NO2 (0.45 μm) 0.27 NS 0.22 NS 0.2 NS 0.19 N-NO3- (0.45 μm) 1.4 8 8.2 12 7.2 7.4 11.5 Alcalinidad como CaCO3 244 195 195 207 215 174 182 pH 7.57 7.475 7.6 NA 7.72 7.67 7.63 - 3.22 N.S: No solicitado; N.A: No analizado 54 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Tabla II. Resultados promedio de la primer campaña de muestreo. CONCENTRACIONES PROMEDIO PARÁMETROS (mg/L) N-NH3 (0.45 μm) 3 36.3 N-NO2- (0.45 μm) 6 9 15 13 22 10 16 38.7 2.9 3.7 1.6 3.4 0.008 0.05 0.2 0.3 0.2 9.4 8.0 N-NO3 (0.45 μm) 0.78 0.95 10.1 7.2 Alcalinidad (como CaCO3) 417.8 399 468.1 503.9 173.3 201.7 7.4 7.5 7.15 7.1 7.6 7.6 - pH 2.5 1.72 • PH y alcalinidad. Estos parámetros se midieron en diferentes puntos de la planta de tratamiento incluyendo influente y efluente de reactores dentro de la primera campaña de muestreo. RESULTADOS En la tabla I, se muestran los resultados obtenidos durante la caracterización intensiva de 7 días afines al proceso de nitrificación del sistema de lodos activados de la PTAR “Dulces Nombres”, y en la tabla II, se presentan los resultados promedio de dicha caracterización. Con respecto a la tabla II, se observa que el pH presenta variaciones significativas a través del sistema de lodos activados, mientras que la alcalinidad decrece alrededor del 45% desde el influente crudo (punto 3) hasta el efluente en clarificadores secundarios (puntos 10 y 16), lo cual es un indicativo del consumo de ésta durante el proceso de nitrificación. Este proceso de nitrificación se da principalmente en los reactores lo cual se muestra y se explica a través de la figura 3 y figura 4. En el caso del R5 (figura 3), existe un proceso de oxidación del N-NH3 a N-NO3- ya que la concentración del N-NH3 se reduce de 38.7 mg/L a 2.9 mg/L, mientras que los N-NO3- aumentan de 0.95 a 10.1 mg/L. Esto mismo ocurre en la línea R1-4 (figura 4), el N-NH3 se reduce de 38.7 mg/L a 3.7 mg/L, y la concentración de NNO3- aumentan de 0.95 a 7.2 mg/L. Fig. 3. Proceso de nitrificación y desnitrificación en la línea del R5. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 4. Proceso de nitrificación y desnitrificación en la línea del R1-4. Además de la nitrificación, también en los reactores se presentó una desnitrificación simultánea parcial ya que es conocido que en el núcleo de los flocs existen zonas anóxicas.9,10 De acuerdo a las figuras 3 y 4, esto se pone en evidencia por un simple balance de nitrógeno (N). Considerando el caso del R5 (figura 3), si entran 38.7 mg/L de N-NH3 y salen sólo 2.9 mg/L de N-NH3, el resto (35.8 mg/L) debería estar en forma de N-NO3- (si sólo existiera nitrificación) de los cuales solo hay 10.1 mg/L; la única manera de explicar esta diferencia, es que se emite como N2 (gas) en una desnitrificación. Desarrollando el balance para la línea del R1-4 (figura 4) sucede lo mismo; entran 38.7 mg/L (N-NH3) y salen 3.7 mg/L de N-NH3 y 7.2 mg/L como N-NO3-, el resto (35 mg/L) se escapa como N2 (gas). Este mismo caso de desnitrificación también ocurre en los clarificadores secundarios (condiciones anóxicas) y para ello se describe solo el caso de la línea del R5 (figura 3), aunque esto se puede observar en la línea del R1-4 (figura 4). Se supone que la concentración de N-NO3- en el efluente del clarificador (9.4 mg/L) debe ser igual que la del RAS (2.5 mg/L) ya que son resultados de muestras solubles, sin embargo y debido a la desnitrificación en la cama de lodo, cierta cantidad de N2 (gas) se escapa disminuyendo por tanto la concentración de N-NO3- en el lodo (RAS). 55 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Por otra parte, si se observa en las figuras 3 y 4, la alcalinidad se incrementa desde el influente hasta el efluente de los reactores producto del consumo de CO2, mientras que el pH disminuye debido a la formación de ácido, más no por abajo de 7, que es el pH de referencia en donde la tasa de nitrificación empieza a decrecer significativamente. Los valores de pH se mantienen en un valor de 7.15 para R5 y 7.1 en R1,4, esto debido a la capacidad buffer (amortiguadora) de la alcalinidad en el sistema, manteniéndose con ello la nitrificación. Por el contrario, durante la desnitrificación en los sedimentadores secundarios, la alcalinidad disminuye desde el influente hasta el efluente de los clarificadores y por tanto el pH se recupera en ambas líneas (7.6) casi al valor inicial del influente a reactores (7.5). También, para que se llevara a cabo la nitrificación en los reactores, tuvo mucho que ver la temperatura y el oxígeno disuelto (OD). En la tabla III, se presentan los resultados del perfil de temperaturas medidos durante 5 días en las 4 celdas de los reactores 4 y 5. Nótese que la temperatura se mantuvo con variaciones desde 0.5 a 2 °C en las celdas del R4, no así en el R5 donde la variación fue de alrededor de 0.5 °C. En la figura 5, se presenta la variación diurna monitoreada durante la segunda campaña en la que se muestra que las temperaturas fueron relativamente uniformes (± 1°C) en los reactores y celdas. De acuerdo a los resultados obtenidos durante las dos campañas, la temperatura promedio para cada uno de los reactores fue de 23.9°C. Según la bibliografía2, la nitrificación se alcanza a temperaturas mayores de 15°C. Para el caso del OD, durante la primera campaña se mostró el mismo comportamiento en la concentración de OD en todos los reactores, tanto a las 9:00 horas como a las 17:00 horas, las mañanas eran menos cargadas (9:00 horas) por lo que se registraban concentraciones más altas de oxígeno comparado con las 17:00 horas, tal como se muestra en la tabla IV. Durante la segunda campaña, la variación diurna del OD a través de las celdas de los reactores, se comportó según se observa en la figura 6. Tomando en consideración la evolución presentada en la figura 6, donde por la mañana se observa una alta concentración de OD y por la tarde disminuye, fue viable y representativo determinar a través de un promedio la concentración en cada celda de los reactores. Los resultados de la concentración de OD se mantuvieron por arriba de 2 mg/L en las celdas B, C y D (efluente) de los reactores. Debajo de esta Tabla III. Perfil de T (°C) promedio en reactores R4 y R5 durante 5 días. Celdas de R4 (°C) 1a Campaña Hora A Celdas de R5 (°C) B C D A B C D Promedio 9:00 AM 23.1 23.3 22.9 22.7 23.6 23.7 23.8 23.9 Promedio 17:00 PM 23.9 23.6 24.2 24.9 23.9 23.9 24.0 24.2 23.5 23.4 23.6 23.8 23.7 23.8 23.9 24.0 Promedio general Fig. 5. Variación diurna de la temperatura en R4 y R5. 56 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Tabla IV. Concentraciones de OD (mg/L) promedio en reactores R4 y R5 durante 5 días. 1a Campaña Celdas de R4 Celdas de R5 Hora A B C D A B C D Promedio 9:00 AM 2.6 3.7 5.7 5.0 1.9 3.8 4.3 6.4 Promedio 17:00 PM 1.1 0.8 0.9 0.9 1.2 0.7 0.9 3.5 1.8 2.3 3.3 3.0 1.6 2.2 2.6 5.0 Promedio Total (5 días) Fig. 6. Variación diurna de la concentración de OD en R4 y R5. concentración de 2 mg/L, según la bibliografía3, 4 la tasa máxima de crecimiento de los microorganismos nitrificantes empieza a disminuir significativamente. Aún y cuando la concentración de OD en las celdas A de los reactores estuvo por debajo de los 2 mg/L, se mantuvo la nitrificación en el sistema. Con respecto a la tasa de consumo de oxígeno (OUR), en la figura 7 se presenta el comportamiento respirométrico durante la primera campaña de monitoreo. En el perfil de las 9:00 AM, se observan valores en general relativamente bajos de la tasa de utilización de oxígeno (15 a 30 mg/L•h), ya que a esta hora la carga de la planta (gasto del influente) está en su nivel mínimo. En la celda D del reactor 5 la tasa de consumo es relativamente constante y baja a las 9:00 AM, lo cual significa un efluente de calidad constante durante la mañana para abastecer de agua tratada a la industria. Sin embargo en la tarde (17:00 PM) los niveles de OUR en la celda D del R5 siguen bajos 5 días de 7, pero en 2 días se muestran altos (60 mg/L•h) lo que implica que la calidad del agua en estos momentos no es buena (mayor concentración de nitrógeno amoniacal probablemente). Por otra parte el OUR de la celda D del R4 alcanzó valores altos en la mayor parte de los días (50 a 70 mg/L•h) a las 17:00 horas, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 lo que indica que la calidad del agua se deteriora más frecuentemente en este reactor por las tardes. Esto se puede entender debido a que a esta hora se observaron las horas pico en el gasto del influente. En cuanto a las celdas B en las tardes (17:00 PM), el OUR es casi siempre alto (>60 mg/L•h) debido a que en los periodos de caudal alto, la concentración de sustrato también se mantiene alta en esta celda. Para analizar de forma más global el comportamiento descrito anteriormente, en la figura 8 se observa la evolución de la OUR promedio de los 6 días en ambos reactores; el hecho de que decrece la tasa de consumo de oxígeno de la celda B a la D, se explica porque disminuye la DQO soluble (SS) a medida que el agua se acerca a la salida del reactor. La correlación entre el aumento de caudal y el incremento de la OUR durante el transcurso del día se observó durante el monitoreo diurno en la segunda campaña (figura 9), donde la tasa de consumo de oxígeno en las celdas B del reactor 4 y 5, aumenta OD (mg/L)) Reactor Celda A Celda B Celda C Celda D R4 1.8 2.4 3.9 3.3 R5 1.5 2.1 2.5 4.8 57 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Fig. 7. Comportamiento de OUR en R4 y R5. Fig. 8. Evolución de OUR promedio en R4 y R5 (primera campaña). conforme va pasando el tiempo. En la celda D del reactor 4 se presenta un comportamiento diferente con respecto a la celda D del reactor 5 a partir de las 16:00 horas como si hubiera en la salida del reactor 4 repentinamente carga orgánica o bien nitrificación; lo normal sería que se comportara como en el efluente (D) del reactor 5, el cual se mantuvo con una tasa de consumo relativamente baja de alrededor de 20 mg/L•h. La súbita alza de la OUR en (D) del R4 es una vez más una señal de degradación de la calidad del agua tratada en la tarde debido a las sobrecargas de caudal. CONCLUSIONES Desde la obtención de los resultados de laboratorio, se detectó que en los reactores se presentaba una nitrificación y desnitrificación simultánea, aún y cuando no están diseñados con zonas anóxicas adecuadas para este último propósito. Sin embargo, el proceso de nitrificación-desnitrificación en el 58 Fig. 9. Variación diurna de OUR en R4 y R5. sistema de lodos activados de la PTAR “Dulces Nombres” no se hubiera podido dar, si el agua altamente mineralizada en el influente a la planta no hubiera tenido suficiente alcalinidad (417.8 mg/L), ya que de lo contrario hubiera habido un descontrol en el proceso de biodegradación por efecto del pH en los reactores, y por tanto no se mantendría o se inhibiría la nitrificación. Otros factores que influyeron para que se diera la nitrificación en los reactores, fueron la temperatura y el oxígeno disuelto, además de la edad de lodos (SRT), el cual fue de 14.8 días en la línea del R5 y de 14.1 en los R1-4 (obtenido por simulación) a una temperatura de 23.9°C. Ahora bien, en materia de impacto ambiental, si el objetivo que se pretende es limitar la demanda de oxígeno y la toxicidad asociada al amoníaco, se necesita una nitrificación vigorosa, por el contrario, para erradicar los potenciales de eutrofización en cuerpos de agua receptores (ríos, lagos, lagunas, arroyos) donde el flujo no es turbulento, se requiere llevar el tratamiento hasta la desnitrificación. En Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. este sentido el llevar el proceso hasta la nitrificación y desnitrificación, depende de las características fisicoquímicas del agua residual que llega a la planta, de los parámetros de operación (T, OD, OUR, SRT), del objetivo de cada PTAR (reuso del agua tratada), y de las regulaciones ambientales (límites máximos permisibles para descarga del agua tratada en cuerpos de agua). REFERENCIAS 1. Burrell P., Keller J. and Blackall L. (1999). Characterisation of the bacterial consortium involved in nitrite oxidation in activated sludge. Water Science and Technology 39(1), 45-52. 2. Water Environment Federation (1996). Operation of municipal wastewater treatment plants. Manual of practice, No. 11, (MOP-11); Fifth Edition, 1358 pp. 3. Jördening H. J. and Winter J. (2005). Environmental biotechnology. Concepts and aplications. Ed. Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim, 463 pp. 4. Environmental Protection Agency (2009). Nutrient control design manual. State of Technology Review Report. EPA/600/R-09/012, 104 pp. 5. Espinosa, M. A., Flores, N., Esparza, M. y Fall, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 C. (2012). Efecto de la temperatura en la tasa de crecimiento y decaimiento heterotrófico en el rango de 20-32°C en un proceso de lodos activados. Revista Mexicana de Ingeniería Química 11(2), 309-321. 6. Environmental Protection Agency (1975). Process design manual for nitrogen control. Office of Technology Transfer. EPA/630902, 102 pp. 7. Merton L. A. (2004). What SRT and MCRT mean to treatment plant design and operation. Water Environment and Technology 16(6), 65-66. 8. Grüttner H., Winther-Nielsen M., JArgergensen, L., BAgebjerg P. and Sinkjaer O. (1994). Inhibition of the nitrification process in municipal WWTP by industrial discharge. Water Science and Technology 29, 69-77. 9. Klangduen P. and Keller, J. (1999). Study of factors affecting simultaneous nitrification and denitrification (SND). Water Science and Technology 39, 61-68. 10. Naidoo K., Ndlovu V., Mjadu J., Goatley K.T. y Kerdachi D.A. (2002). The exceptional simultaneous removal of carbon, nitrogen and phosphorus in a simple activated sludge treatment system at Kinsburgh wastewater treatment works. Water SA Special Edition, 67-72. 59 �Eventos y reconocimientos I. MUJERES EN LA CIENCIA El pasado 11 de octubre tuvo lugar la inauguración del Programa “Mujeres en la Ciencia: Descubriendo la Investigación, la Innovación y el Desarrollo Tecnológico”, en el cual se mostró la amplitud de las posibilidades de vida y carrera para las jóvenes, a través de un espacio de interacción con investigadoras de diferentes centros de investigación. Entre las participantes se encontraban la Dra. Julia Verde Star y Dra. Leticia M. Torres Guerra investigadoras de la UANL reconocidas a nivel nacional e internacional por sus aportaciones en ciencia y tecnología. Regional Noreste del CONACYT; la Dra. Martha Leal González, Directora de Planeación, Posgrado, Divulgación y Cooperación Internacional del Instituto de Innovación y Transferencia de Tecnología de Nuevo León; y el Lic. Alejandro Galván Martínez, Director de Educación Media Superior. Participantes del Programa “Mujeres en la Ciencia: Descubriendo la Investigación y el Desarrollo Tecnológico”. Reconocimientos CACEI e Las autoridades presentes durante la inauguración fueron: el Dr. Juan Manuel Alcocer González, Secretario Académico de la UANL, en representación del Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL; el Dr. Mario César Salinas Carmona, Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado de la UANL; el MC Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, la Lic. María Eugenia Vargas Pascal, Subdirectora de Desarrollo Regional Norte en la Delegación 60 II. 66 ANIVERSARIO DE LA FIME Durante la semana del 19 al 27 de octubre de 2013, se llevó a cabo la “Semana Cultural FIME 2013” que incluyó diversos eventos académicos, culturales y deportivos, para celebrar el 66 aniversario de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Entre los eventos se encuentra el Almuerzo de la Fraternidad con el que inician los festejos, el XX Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología, el Coloquio de Investigación Conjunta FIME-Industria, el segundo concurso “Pelea de Robots”, la Expo Laboral Industrial, la Expo “Un día para leer ... y los demás también”, por citar algunos. ISO 9901:2008 El pasado 21 de octubre, en una ceremonia presidida por el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL; la Ing. María Elena Barrera Murillo, Directora General del Consejo de Acreditación de Enseñanza de la Ingeniería (CACEI); y el Dr. Leonardo Cárdenas Costas, Director General de México, Centroamérica y el Caribe de TÜV Sudamérica de México, se entregó a la FIME el certificado por parte del CACEI en el que se acreditan 7 programas de licenciatura (IME, IMA, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Eventos y reconocimientos IMT, IAS, IEC, IEA y IMF) de la FIME. En este mismo acto, el MC. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, recibió el certificado ISO 9901:2008 por parte de la empresa TÜV Sudamérica de México por mantener una gestión con estándares de calidad internacional. Los jefes de las diferentes carreras mostrando los certificados correspondientes del CACEI. De izquierda a derecha: MC. Alejandro Aguilar Meraz; Director de Administración de la Calidad de la UANL; MA. Emilia Edith Vásquez Farías, Directora de Estudios de Licenciatura de la UANL; Ing. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL; Ing. María Elena Barrera Murillo, Directora del CACEI; Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL; MC. Martha Elia Garcia Rebolloso, Coordinadora del Centro de Calidad de la FIME; MC. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME; Dr. Leonardo Cárdenas Costas, TÜV Sudamérica de México; y Dr. Arturo Torres Bugdud, Subdirector de Desarrollo Institucional y Humano de la FIME. Competencia de Enfriamiento Evaporativo El pasado 23 de octubre se llevó a cabo una competencia que consistió en el diseño de un sistema de enfriamiento evaporativo más simple que proporcionara aire con la mínima temperatura y humedad posibles. Participaron 78 estudiantes de la FIME distribuidos en 26 equipos, quienes diseñaron y fabricaron sus dispositivos para la competencia. El primer lugar lo obtuvieron: Paola Cavazos Zertuche, Marco A. Torres Martínez, y Jorge L. Velázquez Rosales; el Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 segundo fue para: Carlos E. Muñoz Bernal, Luis E. Omaña Tijerina, y Karla M. Tamez Lucio; y el tercer lugar fue para: Jesús I. Morales Barboza y Emma A. Contreras Reyna. Los ganadores del primer lugar: Marco A. Torres Martínez, Paola Cavazos Zertuche y Jorge L. Velázquez Rosales, junto con la MC Yumei Mata Hi (segunda desde la izquierda), quien es profesora de la FIME y Consejera de la Rama Estudiantil UANL de ASHRAE. Concurso de Creatividad El pasado 24 de octubre se efectuó el decimocuarto concurso de creatividad, organizado por el Departamento de Ingeniería Hidráulica, en el que los concursantes, estudiantes de la FIME, utilizaron sus conocimientos y habilidades para diseñar y construir prototipos que lograran recorrer la mayor distancia empujando una carga. El equipo ganador está formado por: Adriana Méndez Guzmán, Ángel Miguel Gómez Ortega y Oscar Gómez Ortega. Un momento del concurso de creatividad. Coloquio de Investigación Conjunta FIMEIndustria El pasado 25 de octubre se llevó a cabo el Coloquio Investigación Conjunta FIME-Industria. Correspondió al Dr. Rafael Colás Ortiz, Coordinador del CIDET FIME-UANL, moderar la mesa en la que participaron: Frisa Forjados S.A. de C.V. a través 61 �Eventos y reconocimientos del Dr. Alejandro Vladimir Lara Mendoza, Ternium México S.A. de C.V. con el Dr. Omar García Rincón, Cuprum S.A. de C.V. con su director de Investigación y Desarrollo, MC. Francisco Manrique Montalvo Puente, Whirlpool S.A. de C.V. con el MC. Eduardo Domínguez Gómez, y de la propia FIME-UANL con la Coordinadora del Programa de Maestría y Doctorado en Ingeniería de Materiales, Dra. Martha Patricia Guerrero Mata. Los participantes explicaron cómo se lleva a cabo la investigación en sus centros de trabajo en vinculación con la FIME-UANL. Se concluyó con una discusión sobre los estudios de posgrado, las estancias en el extranjero, y la experiencia y la preparación universitaria. Gerardo Quintero Flores, profesor-investigador de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), y miembro de la Honorable Junta de Gobierno de la UANL, en “Investigación Científica”, Paola Michelle Longoria López, estudiante de la FIME, en “Juventud y Deporte”, Diego Alonso Roque Montoya, estudiante de la Facultad de Físico Matemáticas de la UANL, en “Juventud y Conocimiento”, y la Sra. Liliana Melo de Sada, miembro del Consejo para la Adquisición y Conservación del Patrimonio Cultural de la UANL, en “Promoción Cultural”. Otros galardonados son: la Profesora Blanca Lea García Murillo en “Labor Magisterial”, los futbolistas Hiram Ricardo Mier Alanís e Israel Sabid Jiménez Náñez, en “Juventud y Deporte”, el Lic. Joaquín Humberto Garza Salas en “Docencia Universitaria”, el General Noé Sandoval Alcázar en “Solidaridad Social”, el Ing. Sergio Gerardo García Kabande en “Reto a la Adversidad”, y el Ing. Sergio Gutiérrez Muguerza en “Labor Empresarial con Responsabilidad Social”. Expositores del Coloquio de Investigación Conjunta FIMEIndustria. III. PRESEA ESTADO DE NUEVO LEÓN El pasado 21 de noviembre el Gobernador del Estado de Nuevo León, Lic. Rodrigo Medina de la Cruz, entregó la Medalla al Mérito Cívico “Presea Estado de Nuevo León” edición 2012 a un grupo de ciudadanos ejemplares. Entre ellos están el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL, en la categoría de “Educación Superior”, el Dr. Raúl 62 De izquierda a derecha, Diego Alonso Roque Montoya, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Paola Michelle Longoria López, y el Dr. Raul Gerardo Quintero Flores. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Septiembre - Diciembre 2013 Diana Garza Rocha, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 2 de septiembre de 2013. José Antonio Juárez, Covarrubias, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 3 de septiembre de 2013. Omar Dávila Saucedo, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, (Por materias), 4 de septiembre de 2013. Héctor Perfecto Molina Reyna, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global, (Por materias), 5 de septiembre de 2013. Ricardo Jonas Galván Gallardo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 5 de septiembre de 2013. Myrna Melissa Ramos García, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 11 de septiembre de 2013. Luis Gilberto Tristán Garza, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), de 12 septiembre de 2013. Eduardo Moreno Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias), 20 de septiembre de 2013. Álvaro Armando Domínguez Sánchez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 Control Automático, “Estudio de la Controlabilidad de Sistemas lineales invariables en el tiempo”, 20 de septiembre de 2013. Juan Carlos Márquez Leal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 23 de septiembre de 2013. Francisco Saucedo Espinosa, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global, (Por materias), 23 de septiembre de 2013. Baltazar Rojas Serrato, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 25 de septiembre de 2013. Gricelda Yahibe Rodríguez Dávalos, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 26 de septiembre de 2013. Ofelia Patricia Carrera Reyes, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, (Por materias), 27 de septiembre de 2013. Daniel Reséndiz Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 27 de septiembre de 2013. Erika Pamela Cárdenas Cisneros, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 27 de septiembre de 2013. Víctor Hugo Aquino Hernández, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, (Por materias), 27 de septiembre de 2013. 63 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL José Antonio Islas Mascareñas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de aleación de aluminio reforzada con materiales compuestos para la reducción de peso en la industria automotriz”, 14 de octubre de 2013. Daniel Alejandro Olguín Ramírez, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 28 de octubre de 2013. Rosenda Nelida Esparza García, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 30 de octubre de 2013. Luis Alberto Martínez Cantú, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 31 de octubre de 2013. Luis Andrés Flores González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 31 de octubre de 2013. Nancy Olivia Zamarripa Ocampo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis, (Por materias), 31 de octubre de 2013. Heber Alvan Ortiz Salinas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 4 de noviembre de 2013. Jesús Antonio Romero Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias), 7 de noviembre de 2013. Nuvia Cristina Moreno Sánchez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 7 de noviembre de 2013. Ariana Lisseth Alvarado Gutiérrez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Análisis microestructural y de propiedades mecánicas a temperaturas elevadas de aceros avanzados de alta resistencia para el conformado en caliente”, 8 de noviembre de 2013. Luis Lauro González Estrada, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Redes neuronales embebidas con aprendizaje en línea”, 11 de noviembre de 2013. 64 Victoria Campos Tapia, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Preparación y caracterización de grafeno modificado con nanopartículas metálicas y bimetálicas”, 21 de noviembre de 2013. Leopoldo III de la Garza Bernal, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 22 de noviembre de 2013. Milton Flores Guerrero, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 22 de noviembre de 2013. Canek Chapa Zapata, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 25 de noviembre de 2013. Rafael Alfredo Cavázos Martínez, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Inteligencia Artificial, (Por materias), 26 de noviembre de 2013. Esma Sarahí González Álvarez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 29 de noviembre de 2013. Emigdio Ríos Baltazar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 29 de noviembre de 2013. Claudia Nayeli Ramón Reyna, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Degradación a altas temperaturas de un acero inoxidable AISI 321 en hornos industriales”, 29 de noviembre de 2013. Carlos Eduardo Villarreal Vázquez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la sustitución de material feldespático y silicoso por “chamota” en una matriz porcelánica triaxial”, 29 de noviembre de 2013. Jésus Alejandro Arizpe Zapata, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Difracción de electrones con iluminación Quasiparalela en modo STEM”, 29 de noviembre de 2013. Paloma Berenice Jiménez Bara, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Preparación de materiales compuestos Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL poliméricos de politereftalato de etilenglicol con óxido de grafeno reducido”, 2 de diciembre de 2013. Rubén Hernández Alemán, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Control descentralizado de formación y seguimiento coordinado de robots móviles tipo uniciclo”, 2 de diciembre de 2013. Alan Jiresse Celis Llanes, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 2 de diciembre de 2013. Alma Judith Vidal Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), de 2 diciembre de 2013. Laura Patricia Hernandez Casillas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la obtención de nanopartículas de PBS bajo distintas condiciones de síntesis”, 2 de diciembre de 2013. Rubén Hernández Alemán, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Control descentralizado de formación y seguimiento coordinado de robots móviles tipo uniciclo”, 2 de Diciembre de 2013. Alan Jiresse Celis Llanes, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 2 de diciembre de 2013. Alma Judith Vidal Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), de 2 diciembre de 2013. Oscar Aguilar Dorbecker, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio del efecto de esfuerzos residuales en el fenómeno de recuperación elástica, por método hole-drilling”, 5 de diciembre de 2013. Emmanuel Francisco Herrera Esquivel, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 6 de diciembre de 2013. David Eugenio Garza Gómez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 6 de diciembre de 2013. Douglas Iván Quiñones Salinas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Incremento de la productividad a través de la optimización del proceso de maquinado y Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 control de microestructura de una pieza de trabajo”, 6 de diciembre de 2013. William Christian Vásquez Fuentes, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 9 de diciembre de 2013. Luis Jairo Fuentes Mejía, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 9 de diciembre de 2013. Israel García Madrigal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 11 de diciembre de 2013. Ángel Oswaldo Salas Garza, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 11 de diciembre de 2013. Manuel Sergio Caballero Hernández, Maestría en Ingeniería, con orientación en Mecánica, (Por materias), 16 de diciembre de 2013. Violeta Reyes Jaimes, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 18 de diciembre de 2013. Daniel Enrique Rivas Cisneros, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica, con orientación en Control Automático, (Por materias), 18 de diciembre de 2013. Alfredo López Vázquez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, “Estrategia de gestión académico-administrativa en función del docente universitario”, 19 de diciembre de 2013. Omar Alexis Figueroa Armendáriz, Maestría en Ciencias en Ciencias de Ingeniería de Sistemas en, “Pronostico de la demanda de efectivo en una institución financiera en México”, 19 de diciembre de 2013. Miguel Ángel Flores Guerrero, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica, con orientación en Control Automático, “Control para sistemas LPV basado en la parametrización de controladores estabilizantes”, 20 de diciembre de 2013. Rolando Aguilera Hernández, Maestría y Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de diciembre de 2013. 65 �Acuse de recibo JOURNAL OF THE MEXICAN CHEMICAL SOCIETY GEOFÍSICA INTERNACIONAL El Journal of the Mexican Chemical Society (J. Mex. Chem. Soc.), anteriormente Revista de la Sociedad Química de México (Rev. Soc. Quím. Méx.), desde 1957 está dedicada a facilitar el avance del entendimiento de la química. Publica contribuciones originales de investigación en todas las áreas teóricas y prácticas de la química en el contexto más amplio, así como revisiones críticas de autores que han realizado contribuciones científicas significativas. La revista se publica trimestralmente, en inglés, en forma impresa (ISSN 1870-249X) y está disponible en línea (ISSN 16859686) en http://www.jmcs.org.mx/. El tercer número de 2013 (Vol. 53) de esta revista está dedicado al área de química bionorgánica, y llama la atención un artículo sobre la relación sangre a plasma, y otro sobre compuestos de metales de transición que se unen al ADN. Geofísica Internacional es una revista que se publica, en inglés, trimestralmente (ISSN 0016- 7169) por el Instituto de Geofísica de la Universidad Nacional Autónoma de México. En el último ejemplar (Vol 53, número 1) se presenta un artículo sobre un terremoto que ocurrió en la cuenca oceánica Salsipuedes en el Golfo de California, y otro sobre la sedimentación reciente en la Presa Cerro Prieto en el Noreste de México. Este artículo tiene la participación de investigadores de la UANL. También presenta artículos con resultados de investigaciones geológicas realizados en otras partes del mundo. La revista se puede consultar en http:// www.geofisica.unam.mx/unid_apoyo/editorial/ publicaciones/investigacion/geofisica_internacional/ index.html , en donde también se puede encontrar más información. JMCS Juan Antonio Aguilar Garib 66 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Colaboradores Acevedo Campos, Javier Sebastián Licenciado en Química Industrial por la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. ctualmente es ingeniero de producción en PYOSA. Aguirre Espinosa, José Estudiante de 6º semestre de la Licenciatura en Química Industrial en la UANL. Andrade Soto, Manuel Antonio Recibió el grado de Ingeniero Eléctrico del Instituto Tecnológico de Saltillo, Saltillo, México, en 2000, y los grados de maestría y doctorado en ciencias, ambos enIngeniería Eléctrica, del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), Guadalajara, México, en 2002 y 2007, respectivamente. En 2007, se incorporó a la Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México, donde actualmente es profesor asociado al programa de posgrado en Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Bravo Bolaños, Oscar Licenciado en Biología egresado de la UNAM en 1992. M. en C. en Geografía egresado de la UNAM en el año 2008. Actualmente cursa el Programa de Doctorado en Biodiversidad y Conservación en la UAEH. Imparte cátedra en el programa académico de Ingeniería Química del Área de Ciencias Básicas e Ingenierías de la UAN desde el año de 1997, y participa en proyectos de importancia científica sobre contaminación del medio ambiente con enfoque en biodiversidad y conservación para el estado de Nayarit. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 Espinosa Rodríguez, Miguel Ángel Ingeniero Químico Industrial egresado de la UAN en 1987. M. en C. en Ingeniería Ambiental egresado de la UANL en 1997. Dr. en Ingeniería egresado del Centro Interamericano de Recursos del Agua (CIRA) dependiente de la Facultad de Ingeniería de la UAEM en 2010. Imparte cátedra en el programa de Ingeniería Química del Área de Ciencias Básicas e Ingenierías de la UAN desde el año 2000, y participa en proyectos de importancia científica sobre contaminación del agua para el estado de Nayarit. Franco Urquiza, Edgar Adrián Ingeniero Aeronáutico egresado del Instituto Politécnico Nacional (IPN) y Doctor en Ciencia de Materiales por la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), donde actualmente es profesor asociado al departamento de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal•lúrgica. Garza Méndez, Francisco Javier Ingeniero Mecánico Metalúrgico por la FIMEUANL. Maestría en Ingeniería Cerámica por la FCQ-UANL. Doctor en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Profesor investigador FCQ. SNI candidato González-González, Virgilio A. Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la FCQ-UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Ha sido investigador en el campo de polímeros desde 1975. Es miembro del SNI nivel II. Es investigador de tiempo completo de UANL desde 1998. 67 �Colaboradores Guardia Ramírez, Eduardo Manuel Obtuvo el grado de Ingeniero Eléctrico en 2003 por la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima, Perú, y el grado de maestro en ciencias en ingeniería eléctrica por la Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México, en 2010. Se ha desempeñado como profesor de prácticas en la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima, Perú. .Actualmente trabaja en el Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional de Perú, Lima, Perú, en el área de planificación de la transmisión. Hernández Torres, Edith Margarita Ingeniero Mecánico Administrador (2008) con Maestría en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2012) por la FIME-UANL. Actualmente es estudiante de Doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Hidalgo Millán, Antonio Ingeniero Químico (2001), M. en C. en Ingeniería Química (2003) y Doctor en Ingeniería Química (2010) por la UNAM. Imparte cátedra en el programa de Ingeniería Química del Área de Ciencias Básicas e Ingenierías de la UAN desde el año 2012 y participa en proyectos de importancia científica sobre reología con énfasis en contaminación del agua. Martínez Alonso, Gabriel Fernando Maestría en Ciencias Físico Matemáticas de la Universidad Estatal de Moscú “M. V. Lomonosov”, Rusia, con especialidad en Física Nuclear de bajas energías. Especialidad en Educación Superior, de la Universidad de Camagüey, Cuba. Profesor Investigador de la Coordinación de Ciencias Básicas y Jefe de Investigación Educativa de la FIME. Líneas de Investigación principales: enseñanza de la Física, currículos basados en competencias y aprendizaje activo. Cuenta con el Perfil deseable para profesores de tiempo Completo (PROMEP). Miembro de la Red de Investigadores Educativos RIE de la UANL. Responsable del proyecto de investigación “Desarrollo y evaluación de competencias profesionales específicas”, del nodo 1 de la REI UANL. 68 Maspoch Rulduà, Maria Lluïsa Doctora en Ciencias Químicas por la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). Catedrática de la UPC y Directora del Centre Català del Plàstic (CCP) en Terrassa, España. Ortega Aguirre, José Manuel Ingeniero Químico Industrial egresado de la UAN en 1996. Maestro en Ciencias en Química por la UDG (2008). Imparte cátedra en el programa académico de Ingeniería Química del Área de Ciencias Básicas e Ingenierías de la UAN desde 1986. Rodríguez González, Francisco Javier Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma de Coahuila (1989) con Maestría en Tecnología de Polímeros por la Universidad Autónoma de Coahuila (1994). Doctor en Ingeniería Química por L´Ecole Polytechnique de Montréal, Montreal, Canadá (2002). Actualmente es Investigador Titular del Centro de Investigación en Química Aplicada. Es miembro del SNI Nivel I. Sánchez-Cervantes, Eduardo Maximino Licenciado en Ciencias Químicas por el ITESM. Doctorado en Química del Estado Sólido por la Arizona State University. Profesor investigador de la FCQ. SNI nivel 2. Vázquez Martínez, Ernesto Recibió el grado de Doctor en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por la UANL, México, en 1994. Desde 1996, ha trabajado como profesor investigador en ingeniería eléctrica en la UANL. En 2000 y 2011, hizo estancias de investigación en la Universidad de Manitoba y la Universidad de Alberta, respectivamente. Sus principales intereses de investigación son la protección de sistemas de eléctricos de potencia y técnicas de inteligencia artificial aplicadas a los sistemas de potencia. Vázquez Rodríguez, Sofía Ingeniero Químico por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (1998). Doctor en Polímeros por el Centro de Investigación en Química Aplicada (2004). Actualmente es Profesor-Investigador de la FIME-UANL. Es miembro del SNI Nivel I Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �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 y reportes de investigación. 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 estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. 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 Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones 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 que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: 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 cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 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 CONTACTO 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 69 �70 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 � 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 2014 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 17 Número Número de la revista 62 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo 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, 2014, Año 17, No 62, Enero-Marzo 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 Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2014 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 2020825 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 Biodiesel Cloruro de polivinilo Materiales nanocompuestos Organoarcillas Zirconia