Modelado de la reducción de 4-nitrofenol catalizada por nanopartículas de plata soportada sobre redes poliméricas porosas

CESAR GOMEZ; CARLOS CHRISTENSEN; MIRIAM STRUMIA; IVANA MAGARIO

CABA

Congreso; VIII Congreso Argentino de Ingeniería Química (CAIQO2015); 2015

Asociación Argentina de Ingenieros Químicos

La síntesis de nano-partículas (NPs) de metales nobles ha cautivado recientemente la atención de muchos investigadores debido a sus propiedades únicas, las cuales habilitan su aplicación en diversos campos de investigación. Hasta el momento, la catálisis es la aplicación química más importante que poseen las NPs. Sin embargo, el uso de estas NPs está restringido por su inestabilidad, con lo cual las NPs han sido depositadas sobre matrices que previenen su agregación, destacándose a los polímeros porosos como excelentes soportes. Se obtiene de esta manera un sistema de reacción bifásico en el cual se encuentra el catalizador en una fase sólida diferenciada de la fase líquida en donde los reactivos se encuentran usualmente disueltos. En tanto, los reactivos deben migrar desde el seno de la solución hacia la superficie del soporte para que la coordinación con las nanopartículas tenga lugar. A menudo la reducción del grupo nitro de un dado compuesto frente a un exceso de NaBH4 ha sido utilizada como una reacción modelo para examinar el comportamiento catalítico de nanopartículas de plata (AgNPs). Sin embargo, no es usual encontrar en la literatura una interpretación acabada de la cinética de reacción que contemple no solo la reacción química superficial sino también la transferencia de reactivos y productos hacia y desde el soporte catalítico. Se propone modelar la cinética de la reducción de 4-nitrofenol catalizada por AgNPs soportadas en partículas porosas del copolímero de polietilenglicol dimetacrilato y 2-hidroxietil metacrilato [poli(EGDMA-co-HEMA)]. El objetivo de este estudio es comprender cuál es el proceso limitante de la velocidad de reacción y predecir la composición y morfología del catalizador que entregue la mayor eficiencia de reacción. El método de preparación del catalizador fue optimizado en trabajos previos. Este consiste en los siguientes pasos: 1) Termoformación de AgNPs empleando a quitosano (Qs) como agente reductor y estabilizador; 2) Adsorción de las Ag NPs generadas sobre las redes porosas de poli(EGDMA-co-HEMA). Para el abordaje de esta tarea es necesario describir matemáticamente el sistema teniendo en cuenta la morfología del soporte polimérico (densidad, superficie interna, tamaño de partícula promedio y diamétro de poro promedio), la carga de material activo suministrada (grado de adsorción de Ag NPs) y datos cinéticos relativos al inicio de la reacción (velocidad inicial de conversión). Se considerarán perfiles de consumo de 4-nitrofenol obtenidos con tres lotes de catalizador que difieren entre sí no solo en el contenido de AgNPs adsorbidas sino en la distribución de tamaño de poro de la red polimérica. Se elaboró una estrategia de cálculo basada en la estimación del factor de efectividad y de la actividad en función de la temperatura para cada lote. Se tiene como hipótesis la existencia de limitaciones difusionales de reacción debido a que se detectó que la energía de activación de la reacción aumentó con el diámetro de poro promedio de la partícula polimérica. Se pretende simular los perfiles de conversión obtenidos experimentalmente y estimar las constantes cinéticas relevantes del modelo por un proceso de minimización de la sumatoria de los cuadrados de las diferencias entre los valores medidos y los valores simulados. Con el modelo validado experimentalmente, será posible predecir la morfología y carga del catalizador que entregue la mayor eficiencia de reacción.