https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/466/20911/Quimica_hoy_2022_Vol_11_No_1_Enero-Marzo.pdf 8f5322d0455954c22f224febb429746c PDF Text Text QUIMICA HOY Chemistry Sciences Revista de la Universidad Autónoma de Nuevo León a través de la Facultad de Ciencias Químicas Enero - Marzo 2022 lbl (a) 1 ' o E Revista Química Hoy JO 40 60 10 7\ cf so 100 110 12t ¡ @QuimicaHoy ISSN 2007-1183 @uANL �lfC!]li .. NUE\( ' 'l LEON e, lNIVERS!DAI) AUTúNOMA DE �Síntesis y caracterización del compuesto TiOi/CZTS y su aplicación como fotocatalizador para la degradación de fenol bajo irradiación de luz visible Limny Esther Pérez-Jiménez 3, M. Arellano-Cortaza3, L. Rojas-Blanco3, l. Zamudio-Torres3, M. Gonzáles-Solanoª y Erik R. Moralesª * ªUniversidad Juárez Autónoma de Tabasco, Avenida Universidad SIN, Zona de la Cultura, Col. Magisterial, Centro, Villahermosa, Tabasco 86040, Mexico. *E-mail: erikingl O@hotmail.com. Recibido 26 octubre 2021, Aceptado 25 enero 2022 Resumen Películas delgadas de TiO2 , CZTS y TiO2/CZTS fueron preparadas mediante técnicas de sol gel y evaporación térmica. Las películas obtenidas fueron caracterizadas estructural, óptica y morfológicamente. Los resultados muestran la presencia de anatasa y kesterita, así como fases secundarias de CuS y Sn2S3 . ópticamente, las películas de TiO 2 muestran absorción en la región UV entre 300 nm y 350 nm, mientras que las películas modificadas con CZTS presentan absorción en el intervalo de 500-700 nm, correspondiente a la región visible. La morfología de las películas de TiO2/CZTS muestra tamaños de partículas homogéneos y una distribución uniforme. Los resultados de la evaluación fotocatalítica muestran un 90% de degradación de fenol en presencia de las películas de TiO2/CZTS, lo cual es superior a los resultados mostrados por las películas de TiO2 y CZTS por separado. Palabras clave: TiO2, CZTS, Fotocatálisis, Penol. l. Introducción Los compuestos contaminantes, tanto inorgánicos como orgánicos, presentes en aguas residuales necesitan ser eliminados antes de ser descargados al medio ambiente, con la finalidad de evitar que contaminen tanto las aguas superficiales como las subterráneas [ l]. Para ello, los procesos de oxidación avanzada (POAs) han demostrado ser eficientes para el tratamiento de diversos contaminantes tóxicos. Dentro de este tipo de procesos, la fotocatálisis [2] ha sido ampliamente estudiada debido a sus ventajas, por ejemplo, el bajo costo del material semiconductor utilizado en el proceso (el TiO2 comercial tiene un costo aproximado de un dólar por kilogramo) [3], así como el aprovechamiento de la luz solar. En contraste, procesos como la ozonización [4] o el foto Fenton [5] requieren de inversiones mayores por el uso de equipos generadores de ozono y lámparas UV artificiales, respectivamente [6]. Por otra parte, en procesos fotocatalíticos, el TiO2 es de los materiales semiconductores más eficaces para la eliminación de sustancias químicas orgánicas, particularmente tintes y compuestos fenólicos de soluciones acuosas [7] debido a su estabilidad química, bajo costo y baja toxicidad [8]. De tal manera que mediante la irradiación de fotones con energía igual o mayor a la del band gap de este semiconductor se produce la excitación de electrones, los cuales migran de la banda de valencia a la banda de conducción ocasionando la separación de los portadores de carga (e-/h+). Estos portadores de carga pueden reaccionar con el agua para generar radicales hidroxilo los cuales son altamente reactivos y permiten degradar una amplia variedad de contaminantes orgánicos [9]. El TiO2 tiene un band gap de aproximadamente 3.2 eV, por lo que solo es fotoactivo bajo irradiación de luz UV, además, la rápida recombinación de los portadores de carga reduce la eficiencia cuántica de la potencia de irradiación incidente [10], por lo que su modificación con otros materiales permite reducir el band gap y aprovechar la absorción de luz visible, así como la disminución de la recombinación de los portadores de carga, aumentando así su rendimiento fotocatalítico. Recientemente la kesterita cuaternaria Cu2ZnSnS4 (CZTS) ha mostrado propiedades fotocatalíticas bajo luz visible, por lo que al ser incorporado al TiO2 se obtiene una heterounión n-p que puede ser activada por luz solar además de garantizarse el flujo de portadores de carga, asegurando el incremento del rendimiento fotocatalítico para la degradación de contaminantes [11]. Las investigaciones de la unión de TiO2 y CZTS para aplicaciones fotocatalíticas aún son escasas, sin embargo, las que hasta ahora se han reportado han mostrado eficiencias por encima del 90% con 90 minutos de irradiación para la degradación de naranja de metilo [12], lo que evidencia su potencial uso para este tipo de aplicaciones. En este trabajo se estudió la síntesis de películas delgadas de TiO2/CZTS mediante un método combinado de evaporación térmica y sol gel. Las películas obtenidas fueron caracterizadas mediante difracción de rayos X (P. 11 (. z 11 {, (P. r¡ � o: ' f ') cr. > � l1 ) I !{, �(DRX), espectroscopía Raman, UV-Vis, microscopía electrónica de barrido (MEB) y microscopía electrónica de transmisión (MET). Adicionalmente se evaluó la eficiencia fotocatalítica para la degradación de fenol, bajo irradiación de luz visible. 2. Parte experimental Preparación de películas de TiO2 Las películas de TiO2 fueron preparadas por el método sol gel asistido por la técnica dip coating [13]. Para ello, una disolución de 6.5 mL de Ti(OC4H9)4 y 45 mL de C2H5OH fue preparada, posteriormente se agregó 1 mL de HCl y la disolución se mantuvo bajo agitación constante. Después, se dejó gotear lentamente una disolución que contenía 1O mL de C2H5 OH y 1.3 mL de agua desionizada, finalizado el goteo se continuó agitando por 1 h. El depósito de las películas sobre un sustrato de vidrio se realizó mediante dip coating con una velocidad de inmersión de 1 mm/s. Las películas preparadas fueron tratadas térmicamente a 550 ºC por 1 h. Preparación de películas de CZTS Las películas de CZTS fueron preparadas por evaporación térmica. Para ello, los precursores utilizados (CuS, SnS y ZnS) fueron calentados en un equipo de evaporación térmica y, el condensado de los precursores sublimados fue depositado sobre un sustrato de vidrio. El equipo de evaporación fue operado con una presión de vacío de 5.2xl0-6 Torr, corriente de 110 A y voltaje de 1.2 V. Las películas obtenidas fueron tratadas térmicamente a 550 ºC por 1 h en atmósfera de nitrógeno y azufre. Preparación de películas de TiO2/CZTS Para la preparación de películas de TiOzfCZTS, primero se obtuvieron las películas de TiO2 mediante la técnica de sol gel y dip coating antes descrita; seguidamente, se depositó la capa de CZTS mediante evaporación térmica, en condiciones iguales a las descritas en el párrafo anterior. Finalmente, las películas de TiOzfCZTS obtenidas fueron tratadas térmicamente a 550 ºC por 1 h en atmósfera de nitrógeno y azufre. Caracterización de las películas preparadas Todas las películas preparadas fueron caracterizadas estructural, óptica y morfológicamente. Para el análisis por difracción de rayos X se utilizó un equipo Rigaku con ánodo de Cu y longitud de onda Ka = 1.54 A. Las mediciones de espectroscopía Raman se realizaron con un equipo Xplora Plus Raman Microscope Horiba Scientific con un láser de 532 nm. El análisis UV-Vis fue llevado a cabo en un espectrofotómetro Agilent 8453 en el intervalo de 190-1100 nm. El análisis morfológico fue realizado mediante microscopia electrónica de barrido y microscopia electrónica de trasmisión. Para la obtención de imágenes MET se utilizó un microscopio JEOL JEM2100 y para la obtención de imágenes MEB se utilizó un equipo JEOL JSM-7100F. Evaluación fotocatalítica Para la evaluación fotocatalítica se usó fenol. Para lo anterior se pusieron en contacto 80 ml de una solución de fenol (20 ppm) y una película del material a evaluar. Los procesos de adsorción-desorción en oscuro se monitorearon durante 1 h. Posteriormente la solución de fenol junto con la película se colocó en un reactor tubular foto catalítico con una lámpara comercial fluorescente de luz blanca T5 de 14 W y se mantuvo en reposo. La alícuotas fueron tomadas a diferentes tiempos para determinar los cambios en la absorción mediante un espectroscopio UV-VIS. 3. Resultados y discusión Análisis DRX La Fig. 1 muestra los difractogramas correspondientes a las películas de TiO2, CZTS y TiO2/CZTS. En el difractograma (a) es posible observar las difracciones asociadas a la fase anatasa del TiO2 (JCPDS-21-1272), sin la presencia de algún otro polimorfo como rutilo o brokita. Por otra parte, la línea amorfa corresponde al sustrato de vidrio utilizado. El tamaño de cristal fue calculado en 17.27 nm mediante la ecuación de Scherrer. El difractograma (b) corresponde a las películas de CZTS. Se observan las difracciones principales asociadas a la estructura tetragonal tipo kesterita del CZTS (JCPDS-26-0575) orientada preferencialmente en el plano (1 1 2). Respecto de la presencia de otras fases como estanoidita o kumarita, es complejo determinar si se encuentran presentes debido a la similitud y el solapamiento de las difracciones de estas fases con la fase kesterita, por lo que no es posible confirmar la ausencia de estos compuestos [14, 15]. Se observan también otras difracciones adicionales, las cuales fueron identificadas como sulfuros de estaño (JCPDS-96-9008786). El difractograma (c) corresponde a las películas de TiO2/CZTS donde se observan principalmente las difracciones correspondientes a la estructura tetragonal del CZTS, además de difracciones poco intensas que corresponden a la fase anatasa del TiO2 • La baja intensidad de estas señales se debe a que la capa de CZTS fue depositada sobre la capa de TiO2 , siendo la capa superficial de CZTS sobre la cual se realizó la medición de DRX. Enero - Marzo, 2022 �l0i%á Fase anatasa --Ti02 a);:: u ·¡¡; e: (1) 20 24 28 32 b) 36 40 44 48 52 20 (grados) 56 60 64 68 -Kesterita ::::. -CZTS ¿ al u ·¡¡; 16 20 24 28 32 36 40 44 48 20 (grados) 52 56 60 64 68 72 1-TiOtCZTSI e) •CZTS +Ti02 espectro de la Fig. 2 corresponde a las películas de TiO2 . De acuerdo con la teoría de grupos, el TiO2 presenta seis modos vibracionales característicos (A 1 g, 2B 1 g y 3Eg) [16]. En el espectro de la imagen se observan los modos Eg en 141 cm· 1 y 637 cm·1, producto de las vibraciones de estiramiento simétricas de los enlaces O-Ti-O [17]. La banda localizada en 396 cm· 1 corresponde al modo B 1g de la vibración de flexión simétrica de los enlaces O-Ti-O [18]. Las bandas en 513 cm· 1 y 519 cm· 1 [19], fueron asignadas a los modos A 1g + B 1g de las vibraciones de flexión antisimétrica de los enlaces O-Ti-O [20, 21]. Las vibraciones moleculares muestran señales respectivas en el espectro que corresponden únicamente a la fase anatasa del TiO2 [22, 23]. La línea roja del espectro de la Fig. 2 corresponde a las películas de CZTS. Se observa la señal principal en 338 cm· 1 atribuida al modo vibracional de simetría A de la kesterita CZTS [24], con un desplazamiento a frecuencias más bajas debido al desorden de la subred catiónica con condiciones no estequiométricas del tipo [Cu]/([Zn/[Sn]) < 1 y, que puede estar relacionado con los radios iónicos del Zn y el Cu, los cuales son similares, lo que ocasiona una alta concentración de defectos anti sitio CuZn y ZnCu [25, 26]. Se observan también otras señales de vibración en el intervalo 282-362 cm· 1 que se presentan en materiales con un alto ordenamiento de los cationes en la red cristalina de la kesterita [25, 26], asociados a modos de simetría A, generados por la vibración en los aniones sulfuro (S-2) de la red cristalina. La señal observada en 374 cm· 1 corresponde al modo vibracional E de la kesterita. La banda ubicada en 408 cm· 1 confirma la presencia del compuesto bínario CuS, identificada en DRX [27, 28]. La línea negra del espectro de la Fig. 2 corresponde a las películas de TiO2/CZTS. Las señales principales están asociadas al modo vibracional Eg del TiO2 y al modo de simetría A de la kesterita CZTS, lo que corrobora la presencia de anatasa que no se observó con precisión en DRX. 1'1 cm 16.4 20.524.6 28.7 32.8 36.9 41.0 45.149.253.357.4 61.5 65.6 69.7 20 (Grados) ·1 --TiO/CZTS -CZTS --Ti02 ""'"., Fig. l. Patrón de difracción de rayos X. a) TiO2• b) CZTS. c) Tiü,!CZTS Análisis Raman Con el objetivo de corroborar la estructura obtenida en cada una de las películas preparadas se realizó un análisis mediante espectroscopía Raman. La línea azul del 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5� 600 650 700 Desplazamiento Raman (cm· ) Fig. 2. Espectro Raman de películas de TiO2, CZTS y TiO2/CZTS en w o ¿_ LJ o ► en oI O:► .,:� ', en LJ , I Enero - Marzo, 2022 •o �Análisis UV-Vis La Fig. 3(a) corresponde al espectro UV-Vis de películas de TiO2 • El espectro de transmitancia muestra un máximo alrededor de 400 nm, lo que denota la absorción en la región ultravioleta. El band gap fue calculado mediante el gráfico de Tauc, determinándose un valor de 3.42 eV, lo que no permite la promoción de electrones en presencia de luz visible. En la Fig. 3(b) se muestra el espectro UV-Vis de películas de CZTS. El espectro de transmitancia muestra un máximo alrededor de 1000 nm y, el valor del band gap determinado mediante el gráfico de Tauc fue de 1.5 eV, esto evidencia la absorción de luz visible de las películas de CZTS [14]. Por otra parte, a partir de este valor calculado, se puede considerar que el estrecho band gap del CZTS y su efectividad para absorber luz visible puede inducir con facilidad pares e-/h+ en un fotocatalizador heteroestructurado de TiO2/CZTS, además de mejorar la eficiencia de separación de cargas [29]. 1.0 a) 0.8 l con distribución y tamaño homogéneo, pero con aparentes defectos de aglomeración de partículas, que se formaron durante el tratamiento por el proceso de recristalización. El tiempo de tratamiento térmico influye en la aglomeración, ya que con tratamientos menores a una hora se obtienen partículas aglomeradas en la superficie de la película, como resultado de las reacciones químicas que ocurren entre capas y en superficie, de tal manera que en tratamientos rápidos no se alcanza el tiempo de retención suficiente para obtener granos de mayor tamaño y número de cristales distribuidos homogéneamente [30]. Las imágenes de la Fig. 4(b-c) muestran las micrografias MEB de las películas de TiO2/CZTS. La superficie de las películas presenta aspecto homogéneo de tamaño y distribución de granos. Además, se observa la disminución de la aglomeración a diferencia de lo observado en las películas de CZTS. La Fig. 5 muestra el espectro EDS de las películas de TiO2/CZTS. A partir de este espectro se determinó la presencia de los elementos principales de la película (Cu, Zn, Sn, S, Ti, O), además de la presencia de otros elementos que corresponden al sustrato de vidrio. Los porcentajes en los que se encuentran presentes los elementos que componen las películas de TiO2/CZTS se presentan en la Tabla 1. 1--_0.6 ·¡; -�0.4 0.2 o.o 300 400 500 longitud de onda (nm) 600 700 1-- cu,znsns,¡ 80 b) 70 iso \ 1-<Ó 50 ·¡; [ e E 40 e � 30 1-- ",_.,,, 20 10 0-1,.--���-=;::.._,...����������� 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Longitud de onda (nm) Fig. 3. Espectro UV-Vis de películas de a) TiO 2• b) CZTS Análisis MEB La Fig. 4(a) muestra la morfología de las películas de CZTS. La superficie de la película exhibe una morfología ) O> Enero - Marzo, 2022 �Fig. 4. Micrografias MEB de películas de a) CZTS. b-c) TiO2/CZTS 60 cps/eV -27 50 40 n presencia de la fase anatasa, como se observó en DRX, además de corroborarse la alta cristalinidad del TiO2 . La Fig. 6(b) corresponde a la micrografia de alta resolución de películas de CZTS. Asimismo, se muestran dos insertos, en el superior derecho se aprecia el perfil de la distancia interplanar, mientras que en el inferior derecho se muestra la imagen obtenida mediante transformada rápida de Fourier (FTT) del área marcada en 6(b). A partir de estos análisis se determinó que los planos cristalográficos (1 1 2) corresponden a la fase kesterita del CZTS con distancia interplanar de 3.13 A. La Fig. 6(c) corresponde a la micrografia de alta resolución de películas de TiO2/CZTS. En esta, es posible observar 4 insertos, dos del lado izquierdo y dos del lado derecho, en la parte de superior e inferior se visualizan el perfil cristalográfico y la imagen obtenida mediante transformada rápida de Fourier (FTT) del área marcada en 6(c), respectivamente. Encontrándose los planos cristalográficos (1 O 1) que pertenecen al TiO2 y los planos (1 1 2) del CZTS, con distancias interplanares de 3.58 A y 3.13 A, respectivamente, esto confirma que tanto la fase anatasa como la kesterita coexisten I 30 20 10 10 12 Energy [keVJ 14 16 18 20 Fig. 5. Espectro EDS de películas de TiOi/CZTS Tabla l. Composición elemental de películas de TiO;¡!'CZTS Elemento Oxígeno Sodio Estaño Zinc Azufre Silicio Titanio Cobre Suma No. Atom 8 11 50 30 16 14 22 29 %Masa 33.21 15.53 14.78 14.03 11.76 4.83 1.96 1.73 97.83 %Masa Norm. 33.94 15.88 15.11 14.34 12.02 4.94 2.00 1.77 100.00 %Atom. 56.14 18.27 3.37 5.80 9.92 4.65 1.11 0.74 100.00 Análisis MET de alta resolución La Fig. 6(a) muestra la micrografia MET de alta resolución de películas de TiO2 • Junto a esta, se muestran dos insertos, el superior derecho corresponde al perfil de la distancia interplanar, mientras que el inferior derecho corresponde a la imagen obtenida mediante transformada rápida de Fourier (FTT) del área marcada en 6(a). De estos dos análisis se determinó que la distancia interplanar para la muestra de TiO2 es de 3.58 A correspondiente al plano (1 O 1), lo que indica la (P. 11 (. z > (P. r¡ � o: 'f ') cr. ) !{ Enero - Marzo, 2022 �. ' ' '' ' ''' ., -lnióal -2h -•• t.� .. . . : Otg!Maciór.OIHncl l))(ICZTS �: : :' "� .: ·. ,;; : ,; (·i ,. U /t !1 ,. li -- T.02 � --+-CZTS --r.ooczrs d) Fig. 6. Micrografias MET de películas de a) TiO2. b) CZTS. c) TiO:,/CZTS Análisis de la evaluación fotocatalítica Las Fig. 7(a-c) muestran la banda de absorción de una muestra de Penol con concentración 20 ppm. Asimismo, se puede observar una disminución de ésta, después de 24 h, esto, debido a que la muestra fue expuesta a luz visible en presencia de una película de a) TiO2 , b) CZTS y c) TiO2/CZTS. La Figura 7(d) muestra la disminución de la banda de absorción del fenol asociada a la concentración en función del tiempo, en presencia de las películas ya mencionadas (TiO2, CZTS y TiO2/CZTS) y bajo irradiación de luz visible. De esta misma figura se tiene que las películas de TiOi/CZTS alcanzaron una tasa de eliminación de fenol del 90% después de 24 h. Estos resultados evidencian que ocurre mayor degradación en presencia de películas de TiO2/CZTS en comparación con la degradación mostrada por las películas de TiO2 y CZTS por separado. Además, las películas de CZTS mostraron mayor rendimiento que las películas de TiO2 • Este comportamiento guarda relación con los portadores de carga generados en las películas de TiOi/CZTS, así como con la disminución de la recombinación de estos portadores de carga, lo que permite mejorar la eficiencia fotocatalítica. La Tabla 2 presenta los porcentajes de degradación de fenol obtenidos en este trabajo, comparados con los resultados de otros autores hasta ahora reportados. Para el caso de películas de TiO2/CZTS, el porcentaje de fotodegradación es superior al reportado por Bogatu et al. [31] quienes señalan que a una concentración de 10 ppm de fenol y en presencia de un simulador solar, se logra la fotodegradación del 50% de la concentración inicial del contaminante, después de 24 h. Por otra parte, los resultados de las películas de TiO2 son similares a los obtenidos por otros autores para la fotodegradación de fenol [32-33]; mientras que en el caso de películas de CZTS los contaminantes más utilizados son colorantes orgánicos como el azul de metileno (MB) o la rodamina B (RhB), para los cuales se han reportado eficiencias de degradación entre 80-90 % [34-35]. � 25C �� H0 2'1!S 270 ffl �. Lor,g�udde c:nde(nm) 2'D . ffl t(hora,) Fig. 7. Evolución de concentración de fenol en presencia de películas de Ti02, CZTS y TiO:,/CZTS Tabla 2. % de degradación de fenal obtenidos en este trabajo, comparados con los ya reportados en la literatura Fotocatalizador %de degradación de este trabajo TiO2 60 CZTS 75 TiO2/CZTS 90 %de degradación reportados por otros autores 60 80-90 para MBy RhB 50 Referencia [32-33] [34-35] [31] 4. Conclusiones Se prepararon películas delgadas de TiO2 , CZTS y TiOi/CZTS mediante el método sol gel asistido por evaporación térmica. Los resultados muestran que las películas de TiO2 y CZTS presentan fase anatasa y kesterita, respectivamente. Además de la presencia de fases secundarias como CuS y Sn2S3 para las películas de CZTS y TiOi/CZTS. La presencia de las fases anatasa y kesterita se corroboró mediante las micrografias MET de alta resolución, donde son evidentes los planos (l O l) y (1 1 2) del TiO2 y el CZTS, respectivamente. Por su parte, el band gap para las películas de TiO2 fue calculado en 3.42 eV, lo que solo le permite ser activo bajo irradiación de luz UV, sin embargo, la modificación de las películas de TiO2 con CZTS permiten su actividad en el visible, debido al estrecho band gap del CZTS. La morfología de las películas de CZTS muestra la formación de aglomeraciones, mientras que las películas de TiO2/CZTS presentan una superficie homogénea de distribución y tamaño de las partículas. La evaluación fotocatalítica para la degradación de fenol, mostró la actividad mejorada de las películas de TiO2/CZTS, alcanzando un 90% de degradación, en comparación con la actividad de las películas de Ti02 y CZTS por separado. ) O> Enero - Marzo, 2022 �5. Agradecimientos Los autores agradecen al Dr. Francisco Paraguay Delgado, por su colaboración para la obtención de las micrografias MEB y MET. 6. Referencias l . Ajiboye, T. O.; Oyewo, O. A. ; Onwudiwe, D. C. Chemosphere. 2021, 262, 1 28379. 2. Saravanan, A.; Kumar, P. S.; Vo, D. N.; Yaashikaa, P. R.; Karishma, S.; Jeevanantham, S.; Gayathri, B.; Bharathi, V. D. Enviran. Chem. Lett. 2021, 1 9, 441-446. 3. Loeb, S. K. ; Alvarez, P. J.; Brame, J. A. ; Cates, E. L.; Choi, W. ; Crittenden, J.; Dionysiou, D. D.; Li, Q.; Li-Puma, G. ; Quan, X.; Sedlak, D. L. ; Waite, T. D.; Westerhoff, P.; Kim, J. Enviran. Sci. Technol. 2019, 53, 2937-2947. 4. Wang, J.; Chen, H. Sci. Total Enviran. 2020, 704, 1 35249. 5. 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Calzada Tecnológico # 2 7, Col. Centro. C. P. 62780, Zacatepec, More/os. dUniversidad Autónoma del Estado de More/os. Av. Universidad 1 001. Col. Chamilpa, CP. 62209, Cuernavaca, More/os. *E-mail de autor responsable: enue.barrios@uan. edu.mx Recibido 06 diciembre 2021, Aceptado 25 enero 2022 Resumen Mediante el depósito secuencial de películas delgadas de SnSe (110 nm)-ZnSe (90 nm)-Cu2_xSe (55 nm) depositadas químicamente y con un post-tratamiento térmico en presencia de polvo de Selenio a 400 ºC y 10 Torr se forma una película delgada de Cu2ZnSnSe4 de 205 nm de espesor. A partir de la medición de difracción de rayos X se comprueba la formación de la película delgada de Cu2ZnSnSe4 sin la identificación de fases secundarias. El material tiene una brecha de energía de 0.84 eV, una conductividad eléctrica de 0.2 n-1 cm-1, con movilidad de huecos de 60 cm2 V- 1 s- 1 y concentración de portadores de huecos de 2 x10 16 cm-3 • Palabras clave: Película delgada, depósito químico, brecha de energía, CZTSe l. Introducción 'J) _J ü ...1 '-' J) Ü T ;>., o /) •) 1 0 \,,J El compuesto cuaternario de seleniuro, cobre, zinc y estaño (CZTSe) es un material de estructura tetragonal [1], también conocido como kesterita, que ha alcanzado un lugar prometedor entre los materiales absorbentes de celdas solares inorgánicas de película delgada; llegando en el 2012 a una eficiencia de conversión solar del 11.1 % [2-4]. Se ha reportado que estas películas delgadas presentan conductividad tipo p y una brecha de energía entre 0.8 y 1.5 eV, con coeficiente de absorción óptico > 104 cm-1 en la región visible del espectro electromagnético [5-8]. Estas características hacen posible el uso de este material como capa absorbedora en celdas solares. Un camino promisorio para minimizar costos y maximizar el retomo de inversión es el uso de técnicas sin vacío para depositar películas delgadas fotovoltaicas [9]. La formación de Cu2ZnSnSe4 a temperaturas superiores a 500 ºC podría ocasionar pérdidas del material debido a la volatilidad durante el calentamiento, de modo que, a temperaturas inferiores podría disminuir la descomposición del material [10,11]. En este trabajo se forma una película delgada de Cu2ZnSnSe4 calentando la estructura de SnSe-ZnSe-Cu2-xSe a 400 ºC en presencia de polvo de selenio. Estos compuestos binarios son depositados previamente mediante la deposición individual y secuencial sobre sustratos de vidrio pretratados (SnSe [12], ZnSe [13] y Cu2-xSe [14]). Se presenta la caracterización estructural, morfológica, óptica y eléctrica de la película delgada de Cu2ZnSnSe4 desarrollada. En este trabajo se presenta una nueva metodología para la formación del compuesto CTZSe, la cual consiste en el deposito secuencial de los compuestos binarios mediante la técnica de Depósito por Baño Químico, siendo ésta relativamente sencilla y económica ya que no requiere de vacío ni de altas temperaturas. 2. Parte experimental Los espesores de las películas apiladas de seleniuro metálico para producir Cu2ZnSnSe4 se pueden proponer considerando la masa molar y la densidad de las capas de reacción: SnSe (197.65g/mol, 6.19 g/cm3); ZnSe (144.34 g/mol, 5.26 g/cm3); Cu2-xSe (196.52 g/mol, 6.9 g/cm3); Se (78.96 gimo!, 4.82 g/cm3); y del producto Cu2ZnSnSe4 (627.02 g/mol, 5.62 g/cm3). Para el presente trabajo se establece un espesor de 205 nm para la película delgada de SnSe, la cual es depositada a 26 ºC durante 1.5 horas sobre sustratos de vidrio pretratados [12]. SnS. (110nm) + Z•S•(90mn) + eu,_.,se (55 mn) + Se (27M2 )' ➔ Cu2ZnSme, (205nm) an (1) En la estimación de los espesores, x se ignora, debido a que, se sabe que el producto es deficiente en Cu, lo que le confiere una conductividad eléctrica de tipo p. Para los cálculos se toma la composición del Cu2-xSe reportada para el mineral berzelianita con un valor cercano a 0.15 [15]. Esta misma composición ya ha sido reportada previamente por Barrios et al. en el 2014 [12]. En el depósito químico de películas delgadas apiladas, la condición que debe cumplirse es que los baños químicos subsiguientes no causen disolución o sustitución atómico / iónica de las películas delgadas ya depositadas previamente. La secuencia particular de SnSe-ZnSe-Cu2x Se se considera como la mejor alternativa para asegurar �esta condición. Se ha reportado que otras secuencias de depósitos no son compatibles [ 1 6] . Para l a formación del compuesto CZTSe s e parte de depósitos químicos secuenciales de las películas delgadas de SnSe, ZnSe y Cu2-xSe y posteriormente se somete a tratamientos en presencia de polvo de selenio. La secuencia y método de depósito de las películas delgadas de las multicapas y sus tratamientos subsecuentes para obtener las películas delgadas de CZTSe se describen a continuación. Pretratamiento del sustrato: Como sustratos se utilizan portaobjetos de vidrio Corning (75 mm x 25 mm x 1 mm de espesor), los cuales se someten a un pretratamiento durante la noche en una solución acuosa diluida (0.03 M) de Na2S a temperatura ambiente (24-26 ºC). Esto favorece un mejor depósito de las películas delgadas de SnSe. Película delgada de SnSe [ 1 2] : se disuelven 700 mg de cloruro de estaño (SnC12) en 5 ml de acetona (CH3COCH3), enseguida se añaden 35 ml de 3.5 M de trietanolamina (TEA-(CH2CH2OH)3N) y se agita vigorosamente. Posteriormente, se agregan con agitación continua 1 8 ml de hidróxido de sodio (NaOH) de 2.0 M y 0.25 ml de polivinilpirrolidona (PVP) 0.5% w/w, 4.0 ml de 0.2 M de selenosulfato de sodio (Na2SeSO3) y 1 6 ml de agua. El pH de esta solución es de 14. La solución de Na2SeSO3 se prepara con 2 g de polvo de Se y 1 2.3 g de Na2SO3 en 1 00 ml de agua desionizada a reflujo cerca del punto de ebullición durante 3 h. Se utilizan reactivos de la marca "Baker Analyzed" (JT Baker). Los portaobjetos de vidrio se colocan verticalmente en el baño de la solución química y se mantienen a 28 ºC en un baño de recirculación (PolyScience, Digital Temperature Controller). Después de 90 min, se deposita una película de SnSe especularmente reflectiva de 1 1 O nm de espesor. Los sustratos se enjuagan en agua desionizada y se secan. Película delgada de ZnSe [ 1 3 ] : se adicionan secuencialmente 36 ml de ZnC12 de 0.1 M, 1 6 ml de Na3C6H507·2H2O de 1 M, 2.5 ml de NH3(ac) 30%, y finalmente se agrega una solución preparada con 400 mg de (CH3)2NC(Se)NH2 disuelta en 46 ml de Na2S03 de 0.01 M. En esta solución se colocan las películas de SnSe y se mantiene a 55 ºC durante 1 h 30 min a temperatura controlada. Al término del depósito se obtiene una película de ZnSe de 80 nm de espesor. Película delgada de Cu2-xSe [ 1 4] : El baño químico es preparado adicionando secuencialmente 1 O ml de CuSO4·H2O de 0.5 M, 1 ml de TEA de 1 M, 12 ml de Na2SeSO3 de 0.4 M y 76 ml de H2O [ 1 7] . Los sustratos con las bicapas de SnSe-ZnSe se colocan verticalmente en este baño durante 20 min a 28 ºC. Al término del depósito, los sustratos con las películas obtenidas se retiran del baño, se enjuagan y se secan con aire. Después de 20 min de deposición se obtiene un espesor de 55 nm para Cu2-xSe. En el depósito por baño químico la película delgada crece por ambos lados del sustrato por lo que, para poder caracterizar es necesario retirar una cara, para lo cual se Enero - Marzo, 2022 utilizan hisopos de algodón humedecidos en HCl concentrado. Tratamiento térmico de la multicapa de SnSe-ZnSe­ Cu2-xSe: Para lograr la formación del compuesto cuaternario CZTSe a partir de los depósitos secuenciales descritos previamente, se realiza el tratamiento térmico (TT) en presencia de 20 mg de polvo de selenio elemental y se coloca en un horno de vacío (High Vaacuum Equipment Riverton). De acuerdo con la ecuación ( 1 ) el requerimiento de selenio elemental es de 27 µg. Considerando la pérdida de material durante el proceso de horneado, se considera que 20 mg de Se elemental son adecuados para la reacción. Las condiciones del tratamiento son: presión de 10 Torr en nitrógeno, temperatura de 400 ºC y tiempo de 2 h. El espesor de la película delgada resultante es de aproximadamente 205 nm, tal como se predice en la ecuación (1). Caracterización: Para la medición de los espesores de las películas delgadas se usa un perfilómetro Alpha-step 1 00 (Tencor, CA). Para esta medición se realiza primero una ligera raya con un vidrio Corning sobre el sustrato/CZTSe cuidando no rayarlo, para eliminar totalmente la película sobre el sustrato se usa un palillo humedecido ligeramente con HCl, con esto se logra la formación de un escalón vidrio-película bien definido. Para la caracterización estructural, los patrones de difracción de rayos X (DRX) de las películas delgadas se obtienen de un equipo Rigaku ULTIMA IV, en un º a 1 00 ° , utilizando la radiación rasante (6) de 0.5 y 1 .5 ° . Utilizando la fórmula de Debye Scherrer [ 1 8] se obtienen los valores de tamaño promedio del cristal. Para el estudio de la superficie de las películas de CZTSe se utiliza un microscopio electrónico de barrido de alta resolución (Hitachi­ FESEM S-5500). Para el análisis de la composición química se usa un microscopio electrónico de barrido (Hitachi-SEM SU1 5 1 0), el cual tiene acoplado un sistema EDX (Energy Dispersive X-ray) capaz de detectar la radiación X emitida por los distintos elementos químicos de la muestra cuando se hace incidir el haz de electrones sobre ella. Los espectros de transmitancia (T) y reflectancia (R) se obtiene en un espectrofotómetro Shimadzu UV3 1 0 1 PC UV-VIS-NIR, en el intervalo de 250 a 2500 nm. Para la T se utiliza aire como referencia y para la R un espejo aluminizado. El coeficiente de absorción óptico (a) se calcula directamente a partir de los valores medidos de R y T considerando la ecuación 2. Para las mediciones eléctricas, se colocan sobre la superficie de la muestra electrodos de carbón (dos líneas paralelas de 5 mm de largo por 5 mm de separación), usando pintura (SPI-Chem). La corriente en oscuridad y bajo iluminación se mide en un sistema computarizado usando un electrómetro Keithley 6 1 9 y una fuente de voltaje programable Keithley 230. Las mediciones se realizan manteniendo la muestra durante 20 s en oscuridad, seguidamente 20 s bajo iluminación y finalmente 20 s �Rodriguez-Lazcano, Enue Barrios-Salgado, Juan Pablo Perez-Orozco, Juantorena, A. U. más en oscuridad. Se utiliza una lámpara de halógeno­ tungsteno de 850 W/m2 de intensidad de iluminación sobre la superficie de la muestra. La conductividad eléctrica se obtiene a partir de los valores medidos de corriente y voltaje aplicado para la película. Caracterización morfológica por FESEM y composición química: La morfología superficial de las películas de Cu2ZnSnSe4 preparadas a 400 ºC se muestra en la Figura 2, en ésta se observan tamaños de grano irregulares pequeños y grandes, y la superficie homogénea con aglomerados de aprox. 150 nm formados 11 2 ª por granos de 1 5 nm. La micrografia de la sección 2 )2 ) 1 R R [(( ) 2 "-------=--, (1! ] } 1 ln +R a=, {'_:____:__ + (2) transversal de la película confirma que el espesor de la a 1 2T 2T · película es de 205 nm, de acuerdo con la ecuación (1) e inferido de los patrones de DRX de incidencia rasante de donde T es la transmitancia, R es la reflectancia, y d es el la Figura l . espesor de la película. 3. Resultados y discusión Caracterización estructural por DRX: Los patrones de difracción de las películas de CZTSe se muestran en la Figura 1 . Los principales picos de difracción que aparecen en las posiciones 20 = 27. 1 6, 45. 1 3 y 53 .45 ° , puede atribuirse a la difracción de los planos ( 1 1 2), (204) y (3 1 2)/(1 1 6), respectivamente, de Cu2ZnSnSe4 (PDF 0 1 -0708930) de estructura cristalina tetragonal. Cabe mencionar que la posición de los picos correspondientes a los compuestos ZnSe y Cu2SnSe3 se encuentran en ángulos muy cercanos [ 1 9] . Se ha reportado que las películas de CZTSe pueden exhibir estructura tetragonal tipo kesterita (grupo espacial I-4) o estannita (grupo espacial I-42m). Con estos resultados se podría aseverar que estas películas presentan estructura cristalina tetragonal tipo estannita, sin embargo, resulta dificil descartar la presencia de fases secundarias, por lo antes mencionado. Estos resultados están acordes a lo observado por diversos autores. Jung [20] reportó películas delgadas de CZTSe obtenidas por co­ evaporación, en donde muestra que a bajas temperaturas (473 K) obtiene películas de CZTSe con fase secundaria de ZnSe y a mayores temperaturas 593 y 643 K obtiene únicamente la fase del CZTSe tipo estannita. En el caso de los resultados de DRX mostró el doblete bien definido de los planos ( 1 1 6)/(3 1 2) en las posición 20 = 45 . 1 . Salomé [2 1 ] sugiere que no es posible definir únicamente a partir de los DRX la fase del compuesto cuaternario, y con los Raman concluye que a temperaturas de 200 a 300 ºC se tienen fases secundarias de Cu2Se y ZnSe mientras que a temperaturas de 350 y 400 ºC descarta totalmente las fases secundarias mismas que no son observadas por DRX. Sin embargo, películas delgadas de CZTSe reportadas como tipo kesterita se identifican los planos cristalinos (1 1 2), (204) y (3 1 2)/(1 1 6) en las posiciones 20 = 27, 45 y 53 ° [22, 23] . Es evidente la discrepancia existente actualmente respecto al tipo de estructura asignada para el CZTSe. Si se consideran los picos de los DRX y los parámetros de red obtenidos, se puede decir que se forma la película tipo estannita a 400 ºC. Uday [24] menciona que, a partir de un estudio por difracción de neutrones, puede existir la kesterita parcialmente desordenada. Chen [25] y Persson [26] a partir de estudios teóricos determinaron que el tipo kesterita es más estable que la estannita y pueden co-existir en muestras sintetizadas. ) O> 15 10 5 o 1 06 ' ' ' ' ., ' ' ' _.,.. ,, o .,.. , o, , --. 15 ' ' ' ' -.... 1 ,_ N ,O ,O ,N :!: --. ; ■ ' ' ' ' ' ' � , - !::!. 30 45 ' ' ' ' ' ' ' ' ■ ó= 1 . 5º A 1 1 1 1 1 ' ' ' ■ ■ : ó= 0.5' ■ P1 D F 01 -0 7089301 CZ TSe - 1 1 ' ' ' ' 1 _, '<t 1 - - 1 -1 C\I I U) 0 1 M,I T"" ij , T"" I T"" U> 1 I T"" 1 1 t"> 1 N' - - - -¡ ■ 60 20 (degrees) '<t ' ■ 75 -l .... Ñ !e. 90 Figura 1 : DRX (o= 0.5 y 1 .0 º ) de la película de CZTSe, obtenida por el tratamiento post-depósito a 400 º C durante 2 h en presencia de 20 mg de Se de la multicapa de las películas delgadas de SnSe, ZnSe y Cu2 _xSe depositadas secuencialmente a partir de baños químicos. La composición química de los elementos de los materiales formados en la película se estima a partir de la medición EDX utilizando un haz de electrones acelerado a 7 kV. En la película de Cu2ZnSnSe4 preparada a 400 ºC las composiciones elementales (en %) son: Cu, 27; Zn, 1 7; Sn, 10; Se, 46 y en este caso se detectan trazas de azufre de hasta 0.3-2%, que surge del pretratamiento de los sustratos de vidrio en solución de Na2S. Este valor se agrega al contenido de Se para deducir la proporción de los elementos. El contenido de Zn está en exceso con una relación Zn/Sn > 1 .5 . Los resultados son acordes a la compos1c10n elemental en películas delgadas de Cu2ZnSnSe4 ya que la proporción estequiométrica de Cu, 25; Zn, 12.5; Sn, 12.5; y Se, 50, casi nunca se cumple debido a la presencia de componentes adicionales, como ZnSe, que no se detectan en los patrones DRX. En películas delgadas de Cu2ZnSnSe4 obtenidas de pilas metálicas de Cu-Zn-Sn pulverizadas con magnetrón mediante calentamiento en vapor de Se a 500 ºC, la relación Zn/Sn es 1 . 1 5 y la relación Cu/(Zn + Sn) es 0.83 [27] . En películas de Cu2ZnSnSe4 producidas por un proceso de co-evaporación de un solo paso de Cu, Sn, Sn y Se elemental, la composición elemental típica es: Cu, 24; Zn, 17; Sn, 12 y Se, 4 7 [28] . Enero - Marzo, 2022 �1 - Generalmente, se considera que el exceso de ZnSe ubicado en la interfaz Mo/Cu2ZnSnSe4 ayuda en el rendimiento de las celdas solares [4] . Figura 2: FESEM de la película delgada de CZTSe, obtenida por el tratamiento post-depósito durante 2 h en presencia de 20 mg de Se de la multicapa de las películas delgadas de SnSe, ZnSe y Cu2.xSe depositadas secuencialmente a partir de baños químicos. Propiedades ópticas y eléctricas: Los espectros de transmitancia óptica (T) y reflectancia especular (R) de las películas delgadas preparadas a 400 º C con espesores de aprox. 205 nm se muestran en la Figura 3. La naturaleza especular de la superficie se evalúa observando qué tan cerca de un valor de 1 00% se mantienen los valores de T + R antes de que comience a caer debido a la absorción óptica por las transiciones electrónicas de la banda de valencia a la banda de conducción. En la película Cu2ZnSnSe4 producida por calentamiento a 400 º C el valor es aproximadamente del 85%. El coeficiente de absorción óptica (a) para la película se calcula y se presenta en la Figura 3. En el recuadro se muestra (ahv)n contra energía del fotón (hv) para n = ½, resultando una banda prohibida de 0.84 eV. Este valor coincide en general con los reportados para Cu2ZnSnSe4 [29,30] y es similar al valor teórico reportado de aprox. 1 .0 eV [3 1 ] . 1 uu-----------------a) 400 ºC 1 000 1 500 i (nm) 2000 2500 - ': u, 2 .58 U• E CJ a . ..,/ : ' º'º;. ... 2 .56 1 0• �i :[1] t.-. 1 0' t .,.. ... , , ¡i � HO 'C. M2 - C1 2 , _______...... 1 0 ...._____........._...., 0 .8 ,? _,,. 2,UO : \ T l l'D I ( 1 ) \ o 2 .54 u .. ' '�\... .. ' "� 20 Tim e ( s ) 40 60 Figura 4: Conductividad eléctrica de la película delgada de CZTSe de 200 nm obtenida por el tratamiento post-depósito a 400 ºC durante 2 h en presencia de 20 mg de Se de la multicapa SnSe-ZnSe-Cu2_xSe depositada secuenciahnente a partir de baños químicos. 4. Conclusiones 1 0' 1:l La conductividad eléctrica tipo p de la película se determina a partir de la prueba de la punta caliente y de la medición del experimento de Hall. La movilidad de Hall de las películas de Cu2ZnSnSe4 para los huecos (µp) es de 40 - 60 cm2Ns. En la Figura 4 se muestra la conductividad eléctrica (c;p) de la película. En las figuras insertadas se muestra el aumento y la disminución de la fotoconductividad 1 s después de iniciar la iluminación (800 W/m2) y 1 s después de apagar la iluminación. El aumento de la conductividad eléctrica (Lic;p) es de 0.002 íl- l cm- 1 y la película tiene una c;p de 0.224 íl-lcm- 1 . Los valores de conductividad eléctrica permiten estimar la concentración de portadores (huecos) (pp = c;p/qµp) en la película la cual es de 2x1 0 1 6 cm-3 . El aumento de la fotoconductividad durante la iluminación más allá de 1 s sería un efecto resultante del aumento de la temperatura (y de los portadores generados térmicamente) y de la movilidad del portador de carga debido a la modificación del potencial entre granos. Por tanto, la caída de la conductividad eléctrica 1 s después de apagar la iluminación es casi la mitad que durante el aumento de 1 s desde el nivel de oscuridad. o 500 - secuenciahnente a partir de baños químicos. b) el coeficiente de absorción óptico, insertada la curva para Eg. T l■ I ( 1 ) o E !. 1 .2 1 .6 2 .0 hu (eV) 2.4 2 .8 Figura 3: a) Transmitancia (T) y reflectancia (R) de las película delgada de CZTSe, obtenida por el tratamiento post-depósito a 400 ºC durante 2 h en presencia de 20 mg de Se de la multicapa de películas delgadas de SnSe, ZnSe y Cu2-xSe depositadas En este trabajo se presentó un método para preparar películas delgadas cristalinas y fotoconductoras de Cu2 SnZnSe4 de 205 nm de espesor mediante calentamiento a 400 ºC en presencia de polvo de Se depósitos secuenciales por baño químico de las películas delgadas de SnSe, ZnSe y Cu2_xSe. A partir de los DRX se identificó la presencia de una sola fase en la muestra. La brecha de energía es de 0.84 eV; la conductividad eléctrica es tipo p con un valor de 0.224 (Q·cmr 1 . Consideramos que el presente método se encuentra entre las rutas sencillas para preparar este material, que además combina propiedades ópticas y eléctricas deseables su uso en celdas solares como capa absorbedora. (P. 11 (. z > (P. r¡ � o: 'f ') cr. ) !{ Enero - Marzo, 2022 �Rodiiguez-Lazcano, Enue Barrios-Salgado, Juan Pablo Perez-Orozco, Juantorena, A. U. 5. Agradecimientos Agradecemos a Patricia Al1tJZar, a José Campos Álvarez y a Osear Gómez Daza por las mediciones de DRX, SEM-EDXS y FESEM y ópticas, respectivamente. Además, al IER-LIFYCS por el uso de sus instalaciones. 6. Referencias 'J) _J ü ... 1 '-' J) �� o /) • 1 ) 0 \,,J 1. Barrios Salgado Enue, Celdas Solares de película delgada de seleniuros de metales por depósito químico. Tesis Doctoral. Universidad Nacional Autónoma de México, Temixco, Morelos, mayo 2014. 2. T. K. Todorov, J. Tang, S. Bag, O. Gunawan, T. Gokmen, Y. 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Peter, Cu2ZnSnSe4 thin film solar cells produced by selenization of magnetron sputtered precursors, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2009, 17, 315319. Enero - Marzo, 2022 �28. S. Jung, J. Gwak, J. H. Yun, S. Ahn, D. Nam, H. Cheong, S. Ahn, A. Cho, KS Shin, KH Yoon, Cu2ZnSnSe4 thin film solar cells based on a single-step co-evaporation process, Thin Solid Films, 2013, 535, 5256. 29. P. Uday Bhaskar, G. Suresh Babu, Y.B. Kishore Kumar, V. Sundara Raja. Growth and characterization of Cu2ZnSnSe4 thin films by a two-stage process, Solar Energy Materials & Solar Cells 115 (2013) 181-188 30. O. Volobujeva, S. Bereznev, J. Raudoja, K. Otto, M. Pilvet, E. Mellikov, Synthesis and characterisation of Cu2ZnSnSe4 thin films prepared via a vacuum 31. G. Qijie, M. Grayson, W. C. Yang, C. W. Bryce, A. S. Eric, W. H. Hugh, and A. Rakesh, Fabrication of 7 .2% Efficient CZTSSe Solar Cells Using CZTS Nanocrystals. J. 10.1021/jal08427b XXXX American Chemical Society Enero - Marzo, 2022 �Características fisicoquímicas de papaya deshidratada en secador solar directo Ana Consuelo Bahena-Ortegaª *, José Luis Valenzuela-Lagardaa,\ Elías Hernandez-Castro\ Yamilet Rodriguez-LazcanoC, Enue Barrios-Salgadoc ªMaestría en Ciencias Agropecuarias y Gestión Local de la UAGro, Carretera lguala-Tuxpan, km 2.5. Iguala de la Independencia, Guerrero, México. bCentro Regional de Educación Superior Campus Cruz Grande, Carretera Cruz Grande-Ayutla de los Libres SN, Florencia Villarreal, Guerrero, México. e Universidad Autónoma de Nayarit, Ciudad de la Cultura "Amado Nervo " SIN, C.P. 63155, Tepic, Nayarit, México. *E-mail de autor responsable: 21250l21@uagro.mx Recibido 15 marzo 2022, Aceptado 28 marzo 2022. Resumen El estado de Guerrero es uno de los principales productores de mango, coco y papaya en México, gran parte de estos frutos no se comercializan por diversos factores como: la sobre producción, problemas fitosanitarios, bajo precio y falta de canales de comercialización, implicando grandes pérdidas económicas a los productores. Existen diversas alternativas de procesamiento como: la congelación, el enlatado y la deshidratación, este último, es una operación unitaria que consiste en la transferencia simultanea de calor y masa, que permite alargar la vida útil de los alimentos mediante la reducción de su contenido de agua. Dentro de las virtudes de este proceso se encuentra el preservar la calidad nutrimental del alimento, su versatilidad y reducir costos de almacenamiento y distribución. El objetivo del presente trabajo es deshidratar rebanadas de papaya (Carica papaya L.) con madurez de consumo de 4 mm y 6 mm mediante deshidratación solar directa, se evaluaron los siguientes parámetros fisicos: curvas de secado y porcentaje de rehidratación y parámetros químicos como: pH, sólidos solubles totales ( º Brix) y acidez titulable del producto en fresco. La papaya para deshidratar con madurez de consumo tuvo un pH de 5.2±0.29, sólidos solubles totales 9.68±0.82 y una acidez titulable de 0.1536 %. La muestra que se deshidrató fue de 1 kg de producto en fresco, obteniéndose una pérdida de masa de casi el 90 % en el deshidratador solar directo el cual estaba expuesto a una radiación solar promedio de 514.98 W/m2 y una máxima de 1153 W/m2 ; con una temperatura media de 51 ºC durante 9 horas. El índice de rehidratación del producto deshidratado fue de 42.61±1.19 % para la muestra de 4 mm y de 33.86±0.91 % para la de 6 mm de espesor, las curvas de secado en deshidratadores solares demuestran que los tiempos de deshidratación son adecuados para efectuar este proceso, la deshidratación solar podría generar una calidad de producto aceptable a un costo relativamente bajo. Palabras clave: deshidratación solar, madurez de consumo, porcentaje de rehidratación. l. Introducción Perteneciente a la familia de las caricáceas, la papaya ( Carica papaya L.) es originaria de las zonas tropicales de México y Centroamérica, crece y se desarrolla mejor en zonas cálidas y húmedas. Esta es fruto de los papayos, una planta herbácea de tallo carnoso, frágil, esponjoso y hueco de la parte central, llegando a medir hasta 9 m de altura y sus hojas hasta 80 cm de longitud [l]. Por sus cualidades médico-gastrointestinales es uno de los frutos de mayor demanda a nivel mundial, el cual se consume normalmente en fresco en rebanadas, sola o en coctel con otras frutas [2], [3]. México el cuarto productor de este fruto con 1 118 000 toneladas y principal exportador mundial. Los estados de mayor producción son Oaxaca, Colima, Chiapas, Veracruz, Michoacán y en el sexto lugar el estado de Guerrero con una producción anual de 48,444 toneladas en 2020, siendo el 57 % de cultivo por riego [3]. Entre las variedades más conocidas de este fruto están la Maradol, la amarilla, la roja y la amameyada; de forma periforme casi cilíndrica (10-25 cm o más de largo y 7-15 cm o más de diámetro), grande, carnosa, jugosa, ranurada longitudinalmente en su parte superior, de color verde amarillento o anaranjado cuando esta madura, con numerosas semillas de color negro en su interior [l], [4]. En la papaya Maradol uno de los procesos de transformación puede ser el deshidratado para obtener papaya deshidratada como producto final o como materia prima seca para obtener otros productos como yogurt, mermeladas, cereales, etc. El procesamiento de este fruto es una alternativa para aprovechar cualquier exceso de producción, dando valor agregado al producto, al igual que se generarían empleos e ingresos [5]. El deshidratado se ha utilizado para mejorar la vida útil, reducir los costos de empaque, reducir los pesos de envío, mejorar la apariencia, encapsular el sabor original y mantener el valor nutricional [6], [7]. El deshidratado solar se vuelve una alternativa de conservación de alimentos reduciendo el riesgo de crecimiento de microorganismos, previene la infección por insectos y la contaminación por agentes extraños �como el polvo, además de penmt1r conservar las propiedades organolépticas de los alimentos como el color, sabor y apariencia de los productos [8]. Debido a la alta demanda de este fruto y a los altos costos de almacenamiento y distribución, en este trabajo se estudian las características fisicoquímicas de la papaya deshidratada en deshidratadores solares directo. 2. Parte experimental Materia prima Se seleccionaron papayas (Carica papaya L. , cv Maradol) de acuerdo con el color del epicarpio, peso (1.5-2.5 kg) de forma alargada y buena condición física. Los frutos se cosecharon en el municipio Florencio Villarreal, Guerrero (16º41'05.2" Latitud Norte y 99 º 08'07.4" Longitud Oeste); directamente de la planta mediante la percepción visual del color del epicarpio (50 % rojo-naranja) y se cuantificaron las características fisicoquímicas correspondientes al estado de madurez de consumo (RST5) [9]. Para cada uno de los experimentos se utilizó una muestra de 1000 g de rodajas con espesores de 4 y 6 mm por triplicado. Metodología Preparación de la muestra Las papayas fueron lavadas con agua y jabón, después enjuagadas con agua clorada al 5 %, posterior a ello se eliminó el exceso de agua empleando papel secante. Se almacenaron a 25 ºC hasta alcanzar un estado de madurez de consumo RST5. Las papayas maduras fueron peladas de manera manual, se partieron a la mitad y se le quito toda la semilla, posteriormente se empleo una rebanadora eléctrica (Torrey RB-300), para rebanar la papaya en rodajas de 4 y 6 mm de espesor, estas fueron colocadas en rejillas para su deshidratación en un secador solar directo con circulación de aire forzada fabricado en el Centro Regional de Educación Superior Campus Cruz Grande de la Universidad Autónoma de Guerrero. Curvas de secado Las rodajas de papaya fueron colocadas en las rejillas para ser deshidratadas en el deshidratador solar directo, los parámetros de temperatura y radiación solar fueron medidos durante la deshidratación. Para generar las curvas de secado se registró la pérdida de masa de la muestra cada 30 min, durante 9 horas. La curva de secado se evaluó con la siguiente ecuación [6 capítulo 2], X= m- 5W" -ms m -s Ecuación 1 Esta correlación indica que, con un conocimiento de la masa húmeda seca (m,w) en función del tiempo [m,w =m,w(t)] y de la masa completamente seca de la muestra (m,), es posible trazar el contenido de humedad de la muestra. en función del tiempo. Cambio de color del mesocarpio Para medir los cambios de color en las muestras frescas y deshidratadas se usó un colorímetro triestímulo marca CHN Spec modelo CS-1O. Se realizaron las mediciones en el sistema LAB a 3 muestras en fresco tomando medidas en tres puntos diferentes: en el centro y en los dos lados opuestos de la rodaja de papaya; registrando los valores de L, a y b; los mismos parámetros fueron evaluados en las mismas muestras deshidratadas. El cambio de color en el producto deshidratado se expresó como el diferencial de color con ayuda de la siguiente ecuación [10]: 1i'cu m:i, Ó n 2 Donde LiE es la diferencia de color; L, y Lr luminosidad en muestra seca y fresca; a, y ar coordenada verde-rojo en muestra seca y fresca; b, y br coordenada azul-amarillo en muestra seca y fresca. Índice de rehidratación Las rodajas de papaya deshidratadas fueron sumergidas en agua caliente (50 ºC) durante 10 min, se retiraron y colocaron en papel secante para retirar el exceso de agua. Para determinar el porcentaje de agua absorbida se utilizó la siguiente ecuación [11]: % R= (:,IIl¡ ) " l O O E'cuación 3 Donde m¡ es masa inicial deshidratada y mr masa final hidratada. 3. Resultados y discusión Parámetros químicos El pH de la papaya utilizada fue de 5.2 ±0.29, el cual es un valor menor al neutral indicando características acidas de la fruta; este valor varía dependiendo de la maduración de la fruta en un rango de 4.3-6.0 [9], [12]. Los sólidos solubles totales en la fruta a deshidratar fue de 9.68±0.82, para papayas silvestres se ha reportado un rango de 8.0-13.5 y para la Maradol de 8-11.5 de sólidos solubles totales [12]. La acidez titulable de la pulpa de la papaya fue de 0.15±0.01 %, en general esta varia de 0.12-0.15 % y se recomienda para personas con gastritis y ulceras gástricas [12]. La acidez titulable aumenta con la maduración del fruto, siendo su punto máximo hasta que la papaya tiene un 75 % de piel amarilla-naranja y después empieza a disminuir [9]. Parámetros fisicos Las curvas de secado de las rodajas de papaya se muestran en la figura 1, donde se muestra el contenido de humedad de las muestras para los espesores de 4 y 6 mm, se observa que el proceso de deshidratación es más rápido es las rodajas de 4 mm, como se esperaba por ser (P. 11 (. z > (P. r¡ � o: 'f ') cr. ) !{ Enero - Marzo, 2022 �de un espesor menor. Después del periodo de adaptación de la muestra en el secador, las curvas de secado presentan la deshidratación a tasa constante desde las 9:00 am a las 12:00 pm y de las 9:00 am a las 12:30 pm para la muestra de 4 y 6 mm respectivamente, con X= 2.3 y 2.53. Enseguida se observa el primero y segundo periodo a tasa decreciente, tal como lo describe Geankoplis [13]. Ocoró-Zamora y Ayala-Aponte presentan un resultado similar en deshidratado por tecnología de ventana de refractancia (RW™) de puré de papaya con distintos espesores (2, 3 y 4 mm) [14]. El contenido de humedad inicial del puré de papaya que ellos presentaron fue de 8.2262±0.4519 kgH2ofkgsólido seco, mientras que para las rodajas de papaya en este estudio fue de 9.9457±0.23 kgH2ofkgsólido seco para ambos espesores. En cubos de papaya de 1 cm, secado con secadores con bomba de calor con diferentes atrnosferas (N2, CO2 y aire) reportaron un contenido de humedad inicial cerca de 1O kgH2ofkg sólido seco [15]; también similar para cubos de 2 cm secados al vacío por microondas [16]. 10 •·. • 4 mm ■ 6 mm ..... ,,,,, ......... Periodo de adaptación -- Periodo a tasa constante - - - - Periodo a tasa decreciente - - 2do Periodo a tasa decreciente 8 >< 4 mm 6 mm Figura 2. Rodajas de papaya en fresco, deshidratadas y rehidratadas de 4 y 6 mm de espesor. La rehidratación es el proceso que se utiliza para restaurar las propiedades de la materia prima cuando fue deshidratada. Cuanto más porosos son los productos deshidratados más rápido se rehidratan y la velocidad cambia con respecto a la temperatura del agua [17]. La capacidad de rehidratación en papaya no se ve afectada por la temperatura [15]. En las rodajas de 4 y 6 mm el porcentaje de rehidratación a 50 ºC fue de 42.61±1.19 y 33.84±0.91, respectivamente. Este comportamiento puede deberse al hecho de que a espesores mayores es menor el daño celular en el alimento. 4. Conclusiones 2 '\ ,,. '•"' \, ' ■, .... .. ... --. ::- ... 4 .. -• - • o�....."T""......T""".....,........,._"'T""_.,.......;....,...,.""'9"'-,-1 8 9 10 11 12 13 tiempo (h) 14 15 16 17 Figura l . Curvas de secado de rebanadas de papaya Por lo general, los procesos térmicos cambian el color original de los productos, especialmente en alimentos como frutas y verduras que contienen mucha agua, carbohidratos, proteínas y fracciones de lípidos. Estos compuestos se modifican fácilmente en condiciones de secado a alta temperatura y dan como resultado la degradación de la calidad de los alimentos [6]. El secado también cambia el sabor y, a menudo, la apariencia de un alimento. La aceptación de ese cambio varía según el usuario final. En la Figura 2 se observan las muestras en fresco, deshidratadas y rehidratadas, en donde los cambios de color total en las rodajas de papaya deshidratadas fueron de 8.82 ±1.93 y 5.46±1.67 para los espesores de 4 y 6 mm, respectivamente. Y en muestras rehidratadas los cambios de color fueron de 9.85±3.98 y 6.2±3.47, para 4 y 6 mm, respectivamente. Valores mucho más pequeños que los obtenidos en cubos de 1 cm secados con secadores con bombas de calor con atrnosfera de aire en ) O> el cual el �E fue de 20 [15]. Las curvas de secado en deshidratadores solares demuestran que los tiempos de deshidratación son adecuados para efectuar este proceso. Las muestras con 6 mm de espesor conducen a una mejor apariencia fisica, debido a que el cambio de color es menor que al de la muestra de 4 mm, siendo de 5.46±1.67 y 8.82 ±1.93 respectivamente. El porcentaje de rehidratación es mayor en los espesores de 4 mm, lo que se debe a un daño celular mayor debido al proceso de secado. La deshidratación solar podría generar una calidad de producto aceptable a un costo relativamente bajo. 5. Agradecimientos Agradecimientos a los productores de papaya del Municipio Florencio Villarreal por el apoyo brindado en la recolección del fruto de papaya, al Centro Regional de Educación Superior Campus Cruz Grande por el uso de sus instalaciones para el procesamiento del fruto y a la Dra. Ana Rosa García Angelmo por su apoyo en la deshidratación solar. 6. Referencias [ l ] S. P. Singh y D. V. Sudhakar Rao, «Papaya (Carica papaya L.) », en Postharvest Biology and Technology of Tropical and Subtropical Fruits, Elsevier, 201 1 , pp. 86-126e. doi: 1 0. l 533/97808570926 l 8.86. Enero - Marzo, 2022 �[2] J. A. Alcántara Jiménez, C. Aguilar Carpio, S. Leyva Bautista, y Á. O. 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Carretera Nacional Cruz Grande ­ Ayutla, Colonia 6 de marzo, 41800 Cruz Grande, Guerrero, México. * mdmuy@ciad.mx Recibido 17 marzo 2022, Aceptado 28 marzo 2022 Resumen Las nuevas tendencias de aprovechamiento integral de los recursos aunado a la necesidad de alimentos sanos para humanos o animales, ha propiciado el auge de los biofertilizantes, los cuales se catalogan como biopreparados ricos en compuestos naturales de interés para las plantas. El objetivo de este estudio fue evaluar el comportamiento químico y físico de diferentes bioles adicionados con pulpa de mango y melaza para su futuro uso en la agricultura. Los resultados indican que bioles con menos de 25% de pulpa de mango y 75% de melaza, así como fermentados con pH entre 3 y 5 presentan buena fermentación. Se concluye que la adición de pulpa de mango no debe sobrepasar la relación 1 :4 pulpa­ melaza y la adición de entre un 140 y 160 % de pulpa en relación a la melaza muestran buen pH y fermentación. Palabras clave: Biol, Fermentación, Nutrición vegetal, pH. l. Introducción Las nuevas tendencias de producción de alimentos han propiciado el auge de metodologías que permitan un aprovechamiento integral de los sistemas de cultivos, destacando el uso y preparación de fertilizantes orgánicos, los cuales pueden ser sólidos o líquidos, cada uno con sus características propias; sin embargo, ambos son producidos por fermentación aerobia o anaerobia en presencia de organismos y/o microrganismos [1]. Los fertilizantes líquidos o biol, se caracterizan por un alto contenido de microorganismos, tales como bacterias, hongos y levaduras las cuales degradan los materiales a compuestos asimilables, además de propiciar la síntesis de fitohormonas como giberelinas, que cumplen múltiples funciones en el desarrollo vegetativo [2]. [3] divide a los fertilizantes líquidos en dos tipos, dependiendo de la condición de fermentación: los M4 de fermentación anaerobia y los M3 de fermentación aerobia, de entre estos los caldos M3 presentan tiempos más cortos de fermentación y un mayor contenido de fitohormonas que los M4. Durante la fermentación de ambos tipos de biol, las bacterias juegan un papel importante en la degradación de compuestos [4]. [3] divide a la fermentación en tres fases, maceración, fermentación y maduración, la primera se refiere al periodo en el cual los compuestos son solubilizados en el agua, usualmente esto se presenta en las primeras 48 horas de fermentación, así mismo la adición de materiales extras como plantas con acción pesticida e insecticida mejorar la calidad del producto final [5]. En este tipo de biofertilizantes el pH juega un papel fundamental, debido a que la disminución de este propicia el crecimiento de microorganismos benéficos (como bacterias fijadoras de N) y una disminución de la carga patógena, de igual manera la conductividad eléctrica es un indicativo de la cantidad de minerales disueltos en la solución, así como de la toxicidad del biol resultante, en biopreparados líquidos se recomienda que la CE no supere los 20 dS m-1, y si es que se supera, estos deben diluirse con agua pura [6]. Los desechos producidos de diversos productos agrícolas, bajos precios de venta, ataque de patógenos y problemas edafoclimáticos, propician un desperdicio de producto con potencial de uso, observando una mayor afectación en frutales [7]. En la región de la Costa Chica de Guerrero, el frutal de mayor implementación es el mango, con una superficie de siembra de 26,917.50 hectáreas, destacando los municipios de Cuajinicuilapa, Juchitán y San Marcos, con un ingreso para la región de $ 434,535.97 en 2020 [8], sin embargo, las pérdidas poscosecha, por mal control y bajos precios ascienden hasta en un 33.5% en mango Manila y un 24.7% en Ataulfo, siendo las dos variedades más producidas en el estado [9]. Con el propósito de aprovechar los desechos de mango, el objetivo de este trabajo fue evaluar la calidad química durante fermentación aeróbica de un fertilizante orgánico líquido adicionado con pulpa de mango. 2. Parte experimental Formulación del Biol Se utilizó la formulación de [3], según la tabla 1 con un tiempo de fermentación de 1O días a condiciones ambientales. �. • !· 1 Tabla l. Formulación de caldo M3 Ingrediente Agua Estiércol de vaca Melaza Leche Agua oxigenada Ajustado 7000 mi 1 .75 kg 70 ml 70 ml 3.5 mi Para elaborar las formulaciones de la primera etapa del estudio, se utilizaron cáscara y pulpa de mangos enteros de la variedad Ataulfo, en combinación con un porcentaje de melaza (Tabla 2). Caracterización química defertilizante liquido Al fertilizante líquido se le midió la conductividad eléctrica (CE) y el pH, para lo cual se tomaron muestras cada día iniciando el día O hasta los 1O días a condiciones ambientales. Se utilizó un medidor multiparamétrico SCIENCE Modelo SM930 [10]. V. M. Rivera-Castro, J. L. Valenzuela-Lagarda, M. A. Angulo-Escalante, M. A. Báez-Sañudo, M. D. Muy-Rangel burbujas y aspecto no deseado para una buena fermentación; no obstante, la F4 presentó estas características al noveno día de fermentación, lo que posiblemente se pueda deber a la relación melaza-pulpa de mango en las mezclas, debido a que los microrganismo lácticos presentes en la leche y los del estiércol no lograron metabolizar los azucares presentes en la pulpa de mango, y disminuir el pH, lo que pudo favorecer el crecimiento de microorganismos patógenos. Los resultados expuestos son congruentes con lo reportado por [10], los cuales mencionan que una disminución del sustrato principal ocasiona una mala fermentación y por consiguiente la putrefacción del biol Diseño de experimento. En la primera parte del experimento se realizó una selección de tratamientos utilizando un diseño de mezclas con base en el contenido de melaza y pulpa de mango, con ocho tratamientos y tres repeticiones cada uno, lo que generó 24 unidades experimentales. Tabla 2. Composición de los tratamientos primera fase. Mezclas Melaza (%) Mango (%) 1 00 O Fl 1 00 F2 O 25 75 F3 F4 25 75 F5 33 67 F6 67 33 50 F7 50 50 50 F8 Los resultados de la primera etapa del estudio arrojaron dos formulaciones exitosas y a partir de ellas se utilizó un diseño unifactorial (mango) a diferentes concentraciones de pulpa de mango (4 bajas, 1 central, 4 altas y 1 control) en relación con el contenido de melaza en la solución, obteniendo un total de 10 formulaciones. Tabla 2. Formulaciones segunda etapa Concentración de pulpa de Formulaciones mango (%) Control o TI 44 T2 58 72 T3 T4 86 1 00 T5 (central) 1 14 T6 T7 128 142 T8 T9 1 56 3. Resultados y discusión En la figura 1 se observa el comportamiento de pH de las mezclas utilizadas en la etapa de selección de tratamientos, todas las mezclas se encontraron en un rango menor a 6 y mayor a 3, sin embargo, exceptuando la Fl y F4 presentaron olores desagradables, presencia de l ¡ 10 Titt,po /ii.n) Figura l . Comportamiento de pH durante la fermentación de un biol enriquecido con pulpa de mango cv. Ataulfo, selección de tratamientos. resultante. En la figura 2 se exponen los resultados de pH de los rangos utilizados para la segunda fermentación, se Í<nÚIÓÓI -+- e-,¡ - • · Fl -♦ - M _.. . n ➔- - � F! -• · n ·+ · F1 - · Ft l.lO 1 l 6 7 S 9 10 fü■po (di") Figura 2. Comportamiento de pH durante la fermentación de un biol enriquecido con pulpa de mango cv. Ataulfo observa que éstas presentaron un comportamiento similar al de la primer fase del experimento, encontrando una caída los primeros días, en los cuales debido a la solubilización de los componentes sólidos en el agua, posteriormente el pH se mantienen durante la degradación de los sólidos y el pH se incrementa ligeramente al finalizar el tiempo de fermentación. Los (P. 11 (. z > (P. r¡ � o: ' f ') cr. ) !{ Enero - Marzo, 2022 �• 1! • fermentados presentaron un rango de pH entre 3.60 a 4.76, de igual manera se observa que el valor más alto lo presentó la formulación F8 mientras que el control presentó el menor pH. Estas mismas formulaciones son las que presentan menor y mayor porcentaje de pérdida de pH con respecto al día O (10.56 y 16.86 %, respectivamente). [12] menciona que los fertilizantes orgánicos líquidos de buena calidad deben encontrarse en un rango de pH de 4 a 5, en este sentido, el pH de todas las mezclas se encontró dentro del rango considerado normal para el desarrollo de bioles. De manera general, se observa que todas las formulaciones con adición de mango, presentaron un pH final similar al de la formulación control, esto se debe a que la cantidad de azucares hidrosolubles disponibles durante la fermentación aumenta el pH del líquido resultante; este comportamiento es esperado en la elaboración de bioles M3 para mejorar la absorción por parte del sistema radicular de las plantas [1O]. [13] reporto valores de pH similares a los encontrados en este estudio, estos autores mencionan una disminución del pH en los fertilizantes puede ser debido a la acción de bacterias lácticas, las cuales degradan los azucares hasta ácido láctico disminuyendo el pH e inhiben con ello el crecimiento de bacterias patógenas y se promueve el crecimiento de bacterias benéficas, como lo son las fijadoras de N y F. Por otra parte, [4] menciona que, en fermentados líquidos adicionados con bacterias lácticas, el bajo pH favorece la disminución de bacterias como el E. coli en un periodo cercano a las 48 horas, además de l.O �- _ , .11... ... u n · FJ · fl F! ll w 1,/ fonmació, ---+- Coiwd 2.6 l,5 1 1 3 4 ! 6 7 8 9 10 Tiempo (dios) Figura 3. Comportamiento de CE durante la fermentación de un biol enriquecido con pulpa de mango cv. Ataulfo que el bajo pH permite el florecimiento de bacterias aerobias totales, lactobacilos y levaduras. Por otra parte, la conductividad eléctrica (CE) observa fluctuaciones durante el periodo de fermentación, algunos autores como [14] menciona que las fluctuaciones se deben a las condiciones en las cuales se llevó a cabo la fermentación, ya que debido a éstas es el cómo actúan las bacterias dentro de la mezcla. Se ) O> V. M. Rivera-Castro, J. r.:. Valenzuela-Lagarda, !ante, M. A. Báez-Sañudo, M. D. Muy-Rangel observa que todas las formulaciones se encuentran en un rango entre 2.4 y 3 dS m-1, siendo la formulación F9 la que presentó el valor final más alto con 2.83 dS m-1, sucediendo lo contrario con la F3 con 2.71 dS m-1; las formulaciones F4 a F9 presentaron valores más altos con respecto al control, lo cual es un indicativo de que los minerales presentes en la pulpa de mango tuvieron un efecto en el contenido final del biol. [10] mencionan que un biol con buena calidad debe presentar una CE menor a 20 dS m-1, los abonos encontrados en este estudio presentan un valor debajo de la descrita por estos autores. [15] mencionan que biopreparados con una CE mayor a 3 dS m-1 pueden provocar fitotoxicidad al cultivo donde se apliquen, además estos autores mencionan que un rango entre 0.7 a 3.0 dS m-1 son las ideales, por su alto contenido mineral que deben ser regulados al diluirlos con agua para su aplicación al cultivo, evitando fitotoxicidad al follaje [16]. 4. Conclusiones Los biofertilizantes preparados con pulpa de mango presentaron buenas características de pH y conductividad eléctrica. Para la elaboración de los bioles se encontró que la adición de mango no debe sobrepasar la relación 1 :4 mango - melaza, para una buena fermentación. Los resultados expuestos en este estudio son preliminares de un macroproyecto de obtención de un fertilizante orgánico líquido a partir de residuos de mango durante el corte y producción. 5. Referencias l. Ormeño, M., Ovalle A. INIA Divulga. 2007, 1 0, 29-34. 2. Heck, K. ; De Marco, É. G. ; Hahn, A. B.; Kluge, M.; Spilki, F. R.; Van Der Sand, S. T. Brasileira de Engen. Agri. e Ambien. 2013, 1 7, 54-59. 3. Restrepo, J. El A, B, C de la agricultura orgánica: biofertilizante preparados y fermentos a base de mierda de vaca. Feriva S.A. Cali-Colombia, 2007; 1 5-73. 4. Bourcourt, R., Carrasco E., López A., Rodríguez Z., Gutiérrez O. Rev. Cub. Cien. Agri. 2006, 40, 279-28 1 . 5. 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Victor Manuel Rivera Castro ª *, Ana Consuelo Bahena Ortega\ José Luis Valenzuela LagardaC, Alfredo Montaño López C, Jesús Manuel Mancillas Paredesd ªCentro de Investigación en Alimentación y Desarrollo A.C. Unidad Culiacán. Carretera El Dorado Km 5.5, Campo el Diez, 80 I I O Culiacán Rosales, Sinaloa, México. b Maestría en Ciencias Agropecuarias y Gestión Local de la UA Gro, Carretera lguala-Tuxpan, km 2.5. Iguala de la Independencia, Guerrero, México. e Centro Regional de Educación Superior Campus Cruz Grande, Carretera Cruz Grande-Ayutla de los Libres SN, Florencia Villarreal, Guerrero, México. d Alianza Estratégica para el Desarrollo Sustentable de la Región Pacífico Sur, Fraccionamiento Marina Diamante, Aeropuerto, 39893 Acapulco de Juárez, Guerrero, México. *E-mail de autor responsable: spviktor4l@gmail.com Recibido 20 marzo 2022, Aceptado 30 marzo 2022 Resumen El mango es uno de los frutales más consumidos a nivel mundial, sus características organolépticas lo hacen muy deseado por los consumidores, la necesidad de brindar frutos de calidad conmina a caracterizar el comportamiento durante la maduración de diferentes cultivares. El objetivo de este estudio fue evaluar el comportamiento químico y bioquímico durante la maduración de frutos de mango de los cultivares Manila y Ataulfo, de San Marcos en el estado de Guerrero. Se utilizaron condiciones similares a la de venta en mercado local, así como se evaluaron parámetros químicos y físicos cada dos días durante un periodo de 8 días. Los resultados arrojan que el cv. Ataulfo presentó el mayor contenido de Sólidos Solubles Totales, mientras que el cv. Manila presento la mejor relación SST/AT, ambos frutos presentaron cambios de color en cascara de verde a amarillo y en pulpa de blanco-amarrillo a amarillo. Se Concluye que ambas variedades presentan cambios de color y aumentos de azucares que los hacen ideales para consumo, sin embargo, el cv Manila no debe de exceder las 144 horas de almacenamiento, al estar expuesto a una perdida grande de firmeza. Palabras clave: Mango, Cambios Fisicoquímicos, Poscosecha en todos los frutales, este proceso involucra cambios l. Introducción fisicos y químicos que finalizan con un producto de sabor, apariencia, aroma y firmeza irresistibles para el El mango es de los frutos más consumidos a nivel consumidor [5]. Los cambios químicos y fisicos más mundial, siendo uno de los de mayor producción. A nivel importantes durante la maduración de frutos son la mundial la India lidera la producción con más de 25.63 degradación de almidón a azucares simples, perdida de millones de toneladas seguidos de China (5 millones de firmeza, cambios de color de la cascara y pulpa y pérdida toneladas) y México (3.29 millones de toneladas) [l], de de peso, estos cambios son vitales para obtener un fruto estos tres México presenta el mayor volumen de con características deseadas para el consumidor [6] [7] en exportación siendo su principal mercado Estados Unidos. estos frutos la perdida de firmeza se asocia con la En el país este fruto tiene un consumo per cápita de 12.7 actividad de la enzima poligalacturonasa, celulasa y �­ kg, siendo los estados de Sinaloa, Guerrero y Nayarit los galactosidasa las cuales actúan en las pectinas y la pared de mayor producción, en conjunto producen más del 50% celular reduciendo con ello la firmeza del fruto [6], por del total nacional. En la Costa Chica del estado de otra lado durante el proceso de maduración los ácidos Guerrero los municipios con mayor producción son disminuyen y la cantidad de azucares aumente, debido Cuajinicuilapa, Marquelia y San Marcos, dentro de estos principalmente a la hidrolisis de almidón, por amilasas los cultivares de mayor producción son Ataulfo, Manila y propias del fruto, y consiguiente liberación de azucares Tommy Atkins [2]. simples [7]. Los frutos destinados para venta local, usualmente se Por todo esto el objetivo de este estudio es conocer la cortan cuando alcanzan el color optimo o cuando calidad durante maduración de frutos de mango de los presentan manchas amarillas, mientras que los frutos cultivares Manila y Ataulfo en condiciones de venta en destinados a exportación o viajes largos se cortan en mercado local. madurez fisiológica, cuando el fruto pasa de un verde brillante a un verde opaco, de igual manera en este estado 2. Parte experimental el fruto presenta altos contenidos de almidón y ácidos Material vegetal orgánicos, es durante el proceso de maduración que éstos Se recolectaron 30 frutos de mango de las variedades se degradan hasta producir azucares y compuestos de Ataulfo y Manila, en huertas del municipio de San varios [3] [4]. Marcos en la Costa Chica de Guerrero, los frutos se La maduración es un proceso irreversible que ocurre �desinfectaron con una solución de cloro al 1% y se dejaron en maduración durante 8 días simulando condiciones locales de venta, es decir temperaturas de entre 27-30 ºC. Parámetros químicos Se utilizó una muestra estándar 5:1 agua-pulpa de mango para el análisis químico del fruto, se midió el pH con ayuda de un potenciómetro SM-25CW SCIENCE MED; los Sólidos Solubles Totales (SST) se midieron utilizando un refractómetro manual con apreciación O 36 % Sper Scientific, mientras que la Acidez Titulable (AT) se determinó por titulación con NaOH IN y se reportó como ácido cítrico utilizando la siguiente ecuación: , %Acidez Titulable = (ml gastados de NaOH) (normalidad del NaOH) (0.064) * 1 00 ml de jugo utilizado Parámetros fisicos Se determinó la fuerza de corte necesaria para la ruptura utilizando un penetrómetro manual SF -50 Sorand empleando una punta cónica; mientras que el color se determinó con ayuda de un colorímetro triestímulo CS10 a MeterTo, realizando tres disparos en la superficie de la cascara y pulpa, de igual manera se determinó el cambio de color (L'lE) durante los días de almacenamiento, utilizando la siguiente ecuación (Dolz­ Zaera, 2008): ____ ) 2-+ a __ _a___+_b____b -] -(_ � E = ✓�[(_L_ d L¡d ¡ ) 2 ( d _1_)2 Donde: L'lE= Diferencia total de color en la muestra deshidratada. f = Muestra en fresco d = Muestra deshidratada. Se cuantifico el porcentaje de pérdida de peso, mediante pesajes cada dos días y los resultados se calcularon con la siguiente ecuación: M - M5 %PP = --- x 1 0 0 M Donde: M = Peso en inicial M s = Peso al día %PP= Pérdida de Peso siendo más estable que la variedad Ataulfo, de igual manera esto se ve reflejado en la Relación SST/AT y el pH este último presentó el valor más alto a los 8 días en ambos frutos, sin embargo, la variedad Manila mostró el valor más alto (4.15). En cuanto a la relación SST/AT más alta, autores como [5] mencionan que la relación SST/AT se considera un criterio de buen sabor y aceptación por parte del consumidor, siendo así que valores más altos el sabor es más aceptable. Kishore et al. y Muy-Rangel et al. mencionan que durante la maduración de frutos el complejo enzimático juega un papel importante degradando pectinas, almidón y ácidos orgánicos, en compuestos más simples como azucares, los cuales promueven la maduración del fruto al estimular la respiración de este [3, 6], así como Gill menciona que los cambios en el contenido de AT son gracias a la estimulación de la fruta [4] Gill et al. reportaron en mangos cv. Dashehari comportamientos similares para SST, AT y Firmeza encontrando una disminución de estas últimas y un aumento de las primeras [4]; por otra parte, Villamizar­ Vargas reportó en mangos de la variedad Tommy Atk:ins comportamientos similares, con disminuciones más marcadas a las 96 horas de almacenamiento [8]. Por otra parte, Baloch et al. mencionan que la temperatura es un factor importante en el aumento y contenido de SST, siendo así que a temperaturas mayores de 35 ºC los valores de SST son considerablemente mayores en comparación con frutos almacenados a menor temperatura [9]. La grafica 1 muestra la perdida de firmeza y peso durante la maduración de frutos de mango de los cultivares Manila y Ataulfo del municipio de San Marcos Guerrero, se observa que los frutos de Ataulfo presentaron el valor más alto de Firmeza inicial (12.00 Kg/f), mientras que los frutos de Manila presentaron una Firmeza baja con respecto a la variedad Ataulfo (8.52 Kg/f), sin embargo la variedad Manila presentó una perdida menor a las 96 horas perdiendo un 54.61 % de firmeza, mientras que la variedad Ataulfo a ese tiempo perdió un 93.32 %, igualando la firmeza de ambos frutos. Al final del tiempo de almacenamiento los frutos presentaron valores similares de firmeza (0.30 Kg/f para Manila y 0.44 Kg/f para Ataulfo), se observa que ambos JO 3. Resultados y discusión La tabla 1 muestra el comportamiento químico durante la maduración de frutos de mango de las variedades Manila y Ataulfo, de manera general se observa que existe un aumento del contenido de SST y pH y una disminución en el contenido de AT, de igual manera se observa que la relación SST/AT aumenta a medida que pasan los días. Se observa que la variedad Ataulfo mostro un incremento de 75.25 % de su contenido de SST inicial y una disminución del 78.35 %de AT, mientras que la variedad Manila presentó un incremento de 73.33% en SST y una disminución de AT en 83.97%, Enero - Marzo, 2022 �.:. 8 « 6 g Atributo 1 --+-- Firmeza • M Finneza • A - ♦ - Peso - M 1 - • -· Peso • A 1 00 12 1 98 96 :.i � 4 92 2 o �----��------,-' 90 196 o 48 96 144 Iiempo (boros) Grafica l. Firmeza y Pérdida de Peso durante maduración de frutos de mango cv. Ataulfo y Manila de San Marcos, Gro. �frutos perdieron alrededor del 96 % de firmeza, bajando la calidad entre las 96 y 144 horas de almacenamiento. Por otra parte, el Porcentaje de Pérdida de Peso presentó valores similares, siendo así que ambas variedades perdieron alrededor del 91% de peso a las 196 horas de almacenamiento. Quintero mencionan que una vez iniciada la maquinaria para hidrolizar las pectinas y almidones a azucares simples aumentan la tasa de respiración de la fruta y con ello la pérdida de peso por transpiración durante el proceso de respiración [7]. Este fenómeno se observa con mayor nitidez entre las 96 y 144 horas donde el fruto pierde mayor Peso con respecto al Peso inicial. amarillo en cuanto a cascara y de un amarillo-blanco a un amarillo intenso en cuanto a pulpa. Los valores arrojan que, en cuanto a color final de pulpa, el cv. Ataulfo presentó un tono más amarillo en relación con el cv. Manila que presentó un tono más cercano a un amarillo opaco, de igual manera en la Figura 2 se muestran los Tabla 1 Comportamiento químico durante maduración de frutos de mango cv. Manila y Ataulfo provenientes de San Marcos, Gro., Mex. Tabla 2. Cambios de color durante maduración de frutos de mango cv. Manila y Ataulfo de San Marcos, Gro. Pulpa Cascara Tiempo (h) L o 47.22* 48 56.21 a b a L 96 61.74 10.91 -2.67 144 52.71 192 66.52 32.92 60.40 -2.14 49.05 36.74 59.23 -2.16 2.65 41.87 48.96 2.25 52.52 4.10 46.35 48.31 4.02 51.43 Ataulfo 48 42.94 96 60.05 10.25 9.88 144 69.81 192 68.90 40.34 60.10 -1.61 49.65 3 4.12 51.79 -1.94 43 .92 47.65 58.62 6.02 61.38 10.17 52.75 53.55 7.84 65.03 14.90 52.30 64.00 12.94 6.40Cc 2.62ABa 2.46Ed 3.06Ec 12.04Bb 2.27BCa 5.3 4Ecd 96 3.80Bb 19.80Aa 1.22Db 18.55CDbc 144 3.89Bb 22.00Aa 0.96Dbc 23.09BCb 192 4.15Aa 24.00Aa 0.42Dc 58.33Aa 3 .28Aa l.84Ed Ataulfo 11.90 66.70 * Medías de n=9. La tabla 2 muestra los cambios durante la maduración de mango de las variedades Manila y Ataulfo, se observa que ambas variedades pasaron de un color verde a uno 3.03Ec 6.02Cc 48 3.04Ec 6.16Cc 2.69ABa 2.37Ed 96 3.71BCa 12.00Bb 1.3 4CDb 10.3 4DEc 3.45Db 21.00Aa 0.77Dbc 23.09BCb 3.50CDab 24.33Aa 0.71Dbc 3 4.39Ba 144 49.08 50.23 3.05Ec* 192 1.06 SST/AT o 44.33 48.12 SST AT (ácido º cítricol � Brixl Manila 48 o 39.34 o pH b Manila 13 .35 Tiempo �hl *Letras mayúsculas diferencias entre variedades, letras minúsculas diferencias entre tiempo en cada variedad, n=5 y p:S0.05. cambios de color durante la maduración de mangos, corroborando lo dicho anteriormente, al existir cambios notorios en el cv. Ataulfo con respecto al cv. Manila. Autores como Baloch et al. mencionan que estos cambios se deben al aumento de carotenoides durante el proceso de maduración, mismos que corresponden con tonalidades Rojo-amarillas [9]. Karanjalker et al. y Villamizar-Vargas et al. reportaron un comportamiento similar en cultivares de mango de la India y Colombia respectivamente, los cuales pasaron de colores verde a amarillo y rojo en cascara y de blanco-amarillo a amarillo en pulpa, los mismos autores mencionan que M-Cascara M·Pulpa A-Cascara A-Pulpa 48 96 144 192 Tiempo (b) Grafica 2. Cambios de color de Pulpa y Cascara durante maduración de frutos de mango cv. Ataulfo y Manila de San Marcos, Gro. Enero - Marzo, 2022 �durante el proceso de maduración las clorofilas se degradan permitiendo el auge de otros pigmentos [8, 10]. 4. Conclusiones Los frutos de mango de ambos cultivares perdieron firmeza a las 144 horas de almacenamiento, sin embargo, en ese mismo periodo de tiempo los SST aumentaron y la AT disminuyo a valores aceptables por el consumidor. El cultivar de Ataulfo presentó mejor aspecto, pero reducido contenido de azucares; en cuanto al cultivar de Manila con alto contenido de azucares, pero peor aspecto, sin embargo, ambas variedades presentaron características que permiten obtener frutos de calidad aceptable por los consumidores. Con estas condiciones de almacenamiento, este estudio permite dar un parteaguas en el manejo poscosecha de frutos a nivel de mercado local. 5. Referencias [ 1] Organización de las Naciones Unidad para la Agricultura. la y Alimentación https://www.fao.org/faostat/es/#data/QCL (accesado el 20 de Marzo 2022). [2] Servicio de Información Agroalimentaria y Pesquera. https://nube.siap.gob.mx/cierreagricola/ (accesado el 20 de Marzo 2022). [3] Kishore, K.; Pathak, K. A. ; Shukla, R. ; Bharali, R. J. Food Sci. Technol. 201 1 , 48, 484-488. [4] Gill, P. P. S.; Jawandha, S. K. ; Kaur, N.; Singh, N. J. Food Sci. 201 7, 54, 1 964-1 970. [5] Kaur, S. J. Appl. Nat. Sci. 20 17, 9, 85-93. 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Enero - Marzo, 2022 �PROTOTIPO DE ALTA TEMPERATURA MEDIANTE CONCENTRACIÓN SOLAR Arturo Martínez Ayala ª*, Alfredo Montaño López\ Agustín Santiago Moreno°, Hosbeidi Calleja Guatemala\ Victor Manuel Sánchez Molinab ª Tecnológico Nacional de México -Instituto Tecnológico de Chihuahua IL Av. De las Industrias #1 1101 Complejo Industrial C.P. 31130, Chihuahua, Chihuahua. México. b Centro Regional de Educación Superior Campus Cruz Grande de la Costa Chica - Universidad Autónoma de Guerrero, Carretera Cruz Grande - Ayutla SN C. P. 41800, Florencia Vil/arrea!, Guerrero, México. e Unidad Académica de Matemáticas, Universidad Autónoma de Guerrero, Carlos Adame No. 54, Colonia La Garita, Acapulco de Juárez, Guerrero, C. P. 39650, México *E-mail de autor responsable: arturomartinezayala77@gmail.com Recibido 14 marzo 2022, Aceptado 30 marzo 2022 Resumen El uso de la energía térmica es indispensable para la mayoría de los procesos industriales y la mayor parte de esta energía térmica es obtenida mediante combustibles fósiles, lo cual considera un alto costo de operación y altas emisiones de CO2; es por ello por lo que las investigaciones se han centrado en la obtención de la energía térmica solar. El objetivo de este trabajo es diseñar y fabricar un prototipo de concentración solar tipo parabólico para la producción de vapor. El prototipo se implementó en la Costa Chica del estado de Guerrero por su alta incidencia de radiación solar, 6.5 kW-h/m2-día. La cámara de concentración de vapor tiene un volumen de 100 ml, la cual está fabricada de acero galvanizado. Se instalaron tres sensores de temperatura, los cuales se colocaron uno dentro de la cámara, otro en el foco de la antena y el tercero se utilizó para medir temperatura ambiente; también se incluye un sensor de presión para obtener los diagramas P-T. Se utilizó una antena tipo offset de 85 cm de diámetro mayor con espejos para reflejar la radiación solar hacia el foco de la parábola, en la cual se alcanzan temperaturas de hasta 350 ºC. En los resultados se presentará los perfiles de temperatura dentro de la cámara y en el foco de la parábola, los diagramas P-T con presiones de 60 psi, 80 psi y 100 psi; y la eficiencia del sistema. Palabras clave: Incluir máximo cinco palabras clave. dispositivos de convers10n térmica se denominan l. Introducción colectores de placa plana que pueden operar en un rango de temperatura de hasta 90 º C. Estos colectores son El uso desmedido de los combustibles fósiles indica utilizados principalmente para el suministro de agua que el petróleo se agotará en aproximadamente un siglo y caliente, calentar espacios o bien para sistemas de el carbón probablemente en mucho menos de 500 años. enfriamiento por absorción. Los sistemas de alta Los combustibles fósiles son las reservas de energía que temperatura requieren de dispositivos que concentren la se obtuvieron del Sol durante millones de años y, solo radiación solar en un receptor absorbedor; con estos este tipo de energía había sido empleada, sin considerar dispositivos se han alcanzado temperaturas de hasta 3000 la energía que se obtiene directamente de la radiación º C. Actualmente se están construyendo varios solar. Además de que se tienen las formas indirectas de dispositivos de concentración para la generación de energía solar que son: eólica, biomasa, oceánica e vapor específicamente para generar energía eléctrica, la hidráulica; también está la energía proveniente de la literatura, nos indica que los costos de estos dispositivos Tierra, la geotérmica y la energía nuclear originada de para aprovechar la energía térmica solar no son mayores materiales radiactivos. A medida que avanzamos la que los de las centrales de energía térmica convencional energía solar toma un papel mucho más importante y su [1-3]. En este proyecto se desarrollará un sistema solar estudio se ha vuelto prioritario [1]. térmico para generar vapor mediante dispositivos de concentración solar con la finalidad de ser aplicado en la En este proyecto se utilizará directamente la radiación industria alimentaria para la cocción, pasteurización, de la energía solar para convertirla a energía térmica. escaldado o deshidratación de alimentos. Existen básicamente dos tipos de sistema de conversión térmica, los de baja temperatura de trabajo y los de alta 2. Parte experimental temperatura. Los sistemas de baja temperatura se El principio básico de la conversión de la energía solar obtienen cuando una superficie oscura se coloca bajo la a energía térmica es que cuando la radiación solar incide radiación solar, esta superficie absorbe la energía solar y sobre una superficie, una parte de ella se absorbe, lo que en consecuencia se calienta. Los colectores que trabajan aumenta la temperatura de la superficie. La eficiencia de bajo este principio consisten en una superficie orientada esa superficie como colector solar no solo depende de la hacia el sol, absorbiendo esta energía y transfiriéndola a eficiencia de absorción; si no también de cómo se un fluido de trabajo en contacto con esta superficie. Estos �minimizan las perdidas térmicas y de radiación hacia el entorno; y de cómo se obtiene la energía térmica ganada para ser utilizada. Existen colectores solares de placa plana deficientes que funcionan desde los 5 - 1 0 º C por encima de la temperatura ambiente o los colectores solares de concentración solar que funcionan a más de 1 000 º C. En la Tabla 1 se enumeran los tipos de colectores solares y los rangos de temperatura en los que trabajan [3-4] . Tabla 1 . Tipos de colectores solares térmicos y sus rangos temperatura. Razón Tipo de colector de Rango concentración temperatura trabajo típica Colector de placa plana Colector de placa plana de alta eficiencia Concentrador fijo Colector parabólico Colector de plato parabólico Receptor central 1 1 C) de de de º ( :-:; 70 60-120 3-5 1 0 - 50 200 - 500 1 00 - 1 50 1 50 - 350 250 - 700 500 a > 3000 500 a > 1 000 De acuerdo con el diseño del sistema de captación de energía solar térmica serán los materiales que se utilizarán. Para el caso de sistemas solares térmicos de plato parabólico se requiere que la reflexión del haz solar sea del tipo especular, es decir, cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Cuando la radiación reflejada se distribuye uniformemente en todas las direcciones, se denomina difusa. Ninguna superficie real es especular o difusa, pero una superficie altamente pulida se asemeja a la reflexión especular, mientras que una superficie rugosa refleja de manera difusa. Las superficies reflejantes que se utilizan en los concentradores solares suelen ser metales altamente pulidos o recubrimientos metálicos sobre sustratos adecuados, en la tabla 2 se presentan los valores de reflectancia especular de superficies para la radiación del haz solar [5] . Tabla 2. - Valores de reflectancia especular para materiales . . ' so1 ar. que refle1an e1 haz de ra d"rnc10n Material Reflectancia especular (p) Plateado (inestable como 0.94 ± 0.02 espejo de superficie frontal) Oro 0.76 ± 0.03 Acrílico aluminizado, 0.86 se!!Ullda superficie Aluminio Anodizado 0.82 ± O.OS 0.82 - 0.92 Varias superficies de aluminio 0.75 Cobre Placa plateada con fondo 0.88 plateado Mylar tipo C aluminizado 0.76 (del lado Mylar) La concentración de la radiación solar se logra al reflejar el flujo de rayos solares incidentes en un área de Enero - Marzo, 2022 apertura Aa a un área más pequeña del receptor/absorbedor Ar. Una relación de concentración solar óptica, CRo, es definida como la razón de flujo solar Ir, sobre el flujo en el receptor la, o bien con la siguiente ecuación [ 6-7] : CR 0 = !.!:. la (1) Mientras que la razón de concentración geométrica, CR, está basada en las áreas CR =� Ar (2) Los concentradores solares son más eficientes que los colectores de placa plana, ya que el área donde se pierde el calor es más pequeña que el área de apertura. En este trabajo se utilizó como concentrador solar una antena de foco desplazado (tipo offset) con diámetro mayor de 0.85 m, la cual tiene un área de apertura de 0.53 m2 con una razón de concentración geométrica de 200, ver figura 1 . Figura l . Antena de foco desplazado (offset). Como material reflejante, en la superficie de la antena se colocaron espejos con recubrimiento de aluminio anodizado, como se observa en la figura 2 (a). En el foco de la antena se colocó la cámara de vapor aislada térmicamente (figura 2 (b)), la cual está fabricada con una "te" de acero galvanizado de dos pulgadas de diámetro y tiene un volumen de 1 00 ml. Se instalaron tres sensores de temperatura, uno está colocado dentro de la cámara, otro en el foco de la antena y el tercero se utilizó para medir temperatura ambiente; se incluye un manómetro para obtener los datos de presión dentro de la cámara; además de un anemómetro para medir la velocidad del viento. �• • • • • • •• • • 1 • • z Ayala, Alfredo Montaña López, Agustín Santiago Moreno, Hosbe1di Calleja Guatemala, Víctor Manuel Sánchez Malina • sobrecalentado a un líquido en su fase de vapor, esto puede observarse en el inset de la figura 3 al disminuir la presión (hasta 10-1 kPa) desde las temperaturas máximas nos encontraremos en la fase de vapor. (a) (b) Figura 2. (a) Concentrador parabólico y (b) cámara de vapor. En los resultados se presentará los perfiles de temperatura dentro de la cámara y en el foco de la parábola, los diagramas P-T a presiones de 60, 80 y 100 psi. 3. Resultados y discusión En la figura 3 se muestra el diagrama de fases del agua, así como los valores de presión obtenidos al interior de la cámara de vapor, la cual es un sistema cerrado (a volumen constante), el cual permite el flujo de calor (Q) en un solo sentido hacia el interior de la cámara, pero que se encuentra aislado térmicamente para evitar transferencia de calor del sistema hacia el medio ambiente y evitar pérdidas de calor. Se midieron 3 presiones manométricas al interior de la cámara 60,80 y 30 O 50 60 70 80 90 1 00 110 110 T fCJ Figura 3. (a) Diagrama de fases del agua y (b) mediciones experimentales de presión vs temperatura. La relación de la presión manométrica y la radiación solar incidente proveniente del concentrador parabólico en la cámara de vapor es mostrado en la figura 4, se puede observar que la radicación incidente está en un promedio de 957.5 W/m2, estos valores fueron obtenidos en un horario de 11:00 a.m. a 16;00 p.m. hrs. Se puede observar que cerca de las 12:00 p.m. el valor promedio 100 ! 80 i Temperetur••• rv? ; tº / 60 4 /i 10 100 1U 10 900 -I . 8:-"""'":1�.� .l.f;;.-�--,��-:'. 1 1r. . 0�1T. 1.1:"""":1�.4�1+. .4 ---:1r:""-�1� 0 Tiempo (h) MS 100 psi, dichas presiones fueron alcanzadas durante diferentes intervalos de tiempo en un mismo día, para evitar lo más posible la variabilidad ocasionada por diferentes condiciones atmosféricas. En él diagrama de fases, se puede observar que el sistema se encuentra en la fase liquida como liquido sobrecalentado, esta fase se alcanza por efecto de la presión, por definición se refiere como liquido sobrecalentado a cualquier líquido que se encuentra entre un rango de temperatura de 100 a 314 ºC que, se conserva en fase liquida por efecto de la presión. Como puede observarse de la figura 3, la temperatura máxima alcanzada por las tres presiones se encuentra en el rango de los 110 ºC a 120 ºC. Las temperaturas máximas alcanzadas por cada una de la presiones se encuentran muy cerca de la fase de vapor y dado que el sistema es un sistema cerrado, al permitirse el flujo masico del agua desde el sistema, esto ocasionaría una disminución de la presión hasta un valor de 101 kPa (valor de presión atmosférica) lo que transformaría el líquido contenido en el sistema de un líquido 11A 1 1 .6 11.8 1 2.0 1 2.2 1 2.4 1 5.4 Tiempo (h) 15.8 16.0 de la radiación incidente es de alrededor de 978 W/m2 y a las 16:00 p.m. de 937 W/m2 por lo que en promedio la radiación que recibe el sistema es de 957.5 W/m2, lo cual permitirá que el sistema alcance las tres distintas presiones en un promedio de 25 a 40 min dependiendo de la hora del día, permitiéndonos obtener la fase vapor del agua al permitir el flujo masico desde el sistema. Permitiéndonos el aprovechamiento solar para generar vapor utilizando la configuración propuesta en el presente trabajo en gran parte del día. Figura 4. Presión manométrica y radiación solar. En la figura 5 se muestra la relación existente entre la temperatura del foco y la de la cámara, la temperatura máxima obtenida en el foco es de 700 ºC (para la presión de 100 psi), lo cual está en concordancia con lo reportado en la literaria para sistemas con una configuración del tipo de concentrador parabólico, de la misma figura se puede observar que en el rango máximo de temperatura alcanzada en la cámara oscila entre los 110 a 120 ºC como se mencionó anteriormente. Una de las principales limitantes para alcanzar un rango de temperaturas mayor, se debe a los procesos de transferencia de calor del sistema con el medio ambiente, el más importante de ellos y que limita obtener temperaturas mayores a 120 ºC Enero - Marzo, 2022 �en el interior del sistema se debe a la transferencia calor que se lleva a cabo entre el punto de entrada de calor de la cámara (área del sistema donde se concentra la radiación solar) y el viento circundante del medio ambiente. Figura 5. Temperatura en el foco y temperatura dentro de la cámara. Los valores promedios medidos para cada presión (60, 80 y 100 psi) son de 1.31, 1.14 y 1.85 mis respectivamente se muestran en la figura 6 donde se pueden observar que el viento circundante oscila continuamente, sin embargo, con la presente configuración del prototipo es obtener liquido en su fase de vapor. Por lo que el uso de materiales que eviten perdidas de calor en el sistema, producidas desde el área donde se concentra la radiación del sistema (área perteneciente a la cámara de vapor que permite el flujo de calor) y asilamiento del sistema, nos permitan incrementar la eficiencia de este. 121 101 80 60 40 20 11 2 11A 11.6 11.8 12.0 1 2.2 1 2.4 1 5.4 Tlernpo lhl Figura 6. Temperatura en la cámara y velocidad del viento. 4. Conclusiones Del análisis del diagrama de fases podemos observar que a la temperatura máxima promedio es de 120 º C para los distintos valores de presión medidos al interior de la cámara (60, 80 y 100 psi), permiten obtener liquido en la fase de líquido sobrecalentado por lo que al permitir el flujo masico desde el interior del sistema al exterior permitiría obtener liquido en su fase vapor. Una de las principales limitantes para alcanzar una temperatura mayor a 120 ºC y obtener un sistema más eficiente se debe al viento circundante al sistema, el cual produce que la entrada de calor al interior del sistema sea menor, debido a que el viento interactúa con la superficie metálica del sistema produciendo una transferencia de calor entre ellos. Sin embargo, con la presente configuración es posible obtener liquido en su fase vapor, por lo que la utilización de materiales diferentes en la construcción de la cámara de vapor y el uso de diferentes materiales para el aislamiento del sistema permitirá obtener un sistema más eficiente para la producción de vapor. 5. Agradecimientos Agradecimientos al Centro Regional de Educación Superior Campus Cruz Grande por el uso de sus instalaciones y a la Dra. Ana Rosa García Angelmo por su apoyo en la parte experimental de concentración solar. 6. Referencias [ 1] Soteris Kalogirou. (2003 ). 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Creator An entity primarily responsible for making the resource Fernández Delgadillo, Sergio Salvador, Director Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2010 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 Química hoy Año de publicación El año cuando se publico 2022 Volumen Volumen de la revista 11 Número Número de la revista 1 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 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 Química hoy, 2022, Vol 11, No 1, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource Fernández Delgadillo, Sergio Salvador, Director Subject The topic of the resource Química Bioquímica Ciencia Investigación Ingeniería Química Ciencias Químicas Description An account of the resource La Revista Química Hoy inicia en el 2010 y se publica trimestralmente, es una nueva fuente de comunicación científica para investigadores relacionados con las áreas de la Química. La Revista Química Hoy publica comunicaciones y artículos que presenten resultados experimentales originales en todas las áreas de la teoría y la práctica de la Química en su mas amplio contexto. Así mismo, se aceptan contribuciones originales de revisiones sobre temas científicos de actualidad en Química, donde el autor sea un experto en el tema a tratar. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Gómez de la Fuente, María Idalia del Consuelo, Editora Responsable Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2022 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource text/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020920 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource https://quimicahoy.uanl.mx/index.php/r Coverage The spatial or temporal topic of the resource, the spatial applicability of the resource, or the jurisdiction under which the resource is relevant San Nicolás de los Garza, Nuevo León Access Rights Information about who can access the resource or an indication of its security status. 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