División de Ciencias Básicas e Ingeniería
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- Estudio de la pirólisis de los residuos de poliestireno expandido para producir estireno y su aplicación en adhesivos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco., 2024-11) Pérez Bravo, GerardoEn esta investigación se pretende contribuir a la disminución de la contaminación del medio ambiente en la Zona Metropolitana de la Ciudad de México, estudiando las alternativas para poder reciclar, aprovechar y procesar grandes cantidades de residuos de poliestireno expandido (mejor conocido en México como unicel) y, de esta manera, evitar que estos desechos terminen en rellenos sanitarios, tiraderos al aire libre, océanos o en cuerpos de agua. A diferencia de la mayoría de los polímeros, el poliestireno tiene una gran tendencia a generar su monómero de estireno mediante una reacción de pirólisis, razón por la cual se estudió la reacción de pirólisis de los residuos de poliestireno expandido que permite transformar estos desechos urbanos a su correspondiente monómero de estireno, con el propósito de ser reutilizado en la industria del poliestireno para la elaboración de nuevos productos o en la manufactura de otros productos de alto valor agregado, tales como los adhesivos y, de esta manera, efectuar su reciclaje. Se llevaron a cabo pruebas preliminares con catalizadores de MgO, BaO y dolomita, con una proporción de poliestireno/catalizador de 10:1 en masa, así como pruebas sin catalizador en un reactor de vidrio semi-continuo, utilizando como solvente al tolueno y al N2 como gas de arrastre, con la finalidad de determinar que catalizador es el que aporta el mejor rendimiento de estireno. El MgO se seleccionó como el catalizador más adecuado por su relativamente bajo costo y estabilidad. Posteriormente, se llevaron a cabo los experimentos principales de pirólisis de los residuos de poliestireno expandido con un reactor rotatorio semi-continuo, además, con este reactor no se utilizaron solventes ni gas de arrastre. El mejor rendimiento de estireno que se logró con este reactor rotatorio fue del 94% en masa. Se advirtió que en los experimentos realizados con el reactor rotatorio semi-continuo sin emplear catalizador se alcanzaron rendimientos de estireno semejantes a los obtenidos con catalizador, a temperaturas entre 430-530°C, por lo tanto, este proceso se podría operar sin utilizar catalizador con buenos rendimientos del monómero de estireno. Se obtuvo la ecuación cinética de la pirólisis del poliestireno a baja temperatura (250°C), así como los parámetros cinéticos y se propuso un modelo del balance de masa de la reacción de pirólisis de los residuos de poliestireno expandido. El reactor rotatorio se calentó a fuego directo con gas LP y se determinó que se produjeron 0.535 kg de estireno/kg de gas LP consumido. Se observó que es muy importante colocar un aislamiento térmico apropiado para reducir las pérdidas de calor en el reactor, así como para un mejor control de fugas, operar el reactor rotatorio con una velocidad de rotación lenta (1.6 rpm), instalar sellos mecánicos y juntas de expansión. Por otra parte, se realizó la aplicación del poliestireno en la obtención de adhesivos utilizando otros polímeros conjuntamente, tales como el neopreno y el acetato de polivinilo con diferentes concentraciones, los cuales fueron probados en diversos materiales, tales como madera-madera, aluminio-aluminio, cuero-cuero, cuero-madera, cuero-cartón y cuero-aluminio. El adhesivo elaborado con 50% poliestireno y 50% acetato de polivinilo presentó la mejor resistencia a la tensión en madera-madera.
- Diagnóstico, monitoreo y control mediante metodologías multiescala estandarizadas aplicadas en la ingeniería de procesos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco., 2022-05) Moguel-Castañeda, JazaelEl acceso a información relevante que permita entender el comportamiento de los sistemas industriales, su estado actual y/o rendimiento previo y durante su funcionamiento, es requerido para garantizar la seguridad, reducir costos de producción y mejorar la calidad de los productos. Por lo tanto, disponer de sistemas de diagnóstico, monitoreo y control de fácil implementación y a bajo costo es de gran relevancia. Por ello, en este trabajo se presenta un estudio detallado para facilitar y generalizar la aplicación de diferentes metodologías multiescala para el análisis de series de tiempo de procesos de ingeniería, con motivo de apoyar a las estrategias de diagnóstico y monitoreo. Se consideraron varios procesos industriales relevantes como casos de estudio. El análisis aplicado se realiza utilizando datos experimentales o series de tiempo simuladas en condiciones cercanas o iguales a las de la operación industrial. A partir del análisis multiescala realizado en todos los casos de estudio, se propuso un procedimiento sistemático dividido en cuatro pasos: (i) La utilización de una función objetivo para detectar las escalas de tiempo características asociadas a los fenómenos físicos intrínsecos. (ii) La búsqueda de patrones repetitivos asociados a condiciones de operación específicas para el diagnóstico. (iii) La identificación de los tamaños de escala y de ventana móvil considerando la naturaleza del proceso para inferir cualitativamente las variables clave. (iv) Una metodología general para obtener exponentes de escalamiento que muestren cambios de sensibilidad en procesos de naturaleza distribuida. Dos contribuciones principales de esta investigación son: (i) La extensión y mejora del análisis fractal multiescala a una amplia clase de procesos químicos. (ii) Un procedimiento general que mejora y facilita el monitoreo y el diagnóstico basado en la aplicación objetiva de los métodos multiescala.
- Recuperación de cobalto de baterías de desecho de ion litio mediante un reactor rotatorio electroquímico de cilindros concéntricos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco., 2025-03) Vengoechea Pimienta, Alejandra ManuelaEste proyecto se centró en la recuperación de cobalto a partir de baterías de iones de litio desechadas, empleando un enfoque combinado de lixiviación, electrodeposición y simulaciones CFD. Para ello, se utilizó polvo de cátodo extraído de las baterías, que fuelixiviado durante 24 horas con hidracina como agente reductor y ácido cítrico como agente complejante, obteniéndose una solución rica en cobalto que sirvió como materia prima para los experimentos de microelectrólisis y macroelectrólisis. Inicialmente, se llevaron a cabo experimentos de microelectrólisis, se realizaron voltamperometría y cronoamperometría con soluciones sintéticas de cobalto. Se evaluaron dos fuentes principales de cobalto: sulfato de cobalto (CoSO₄) y cloruro de cobalto (CoCl₂), ambas a una concentración de 5000 mg/L. Asimismo, se analizaron combinaciones de estas fuentes con ácido cítrico en concentraciones de 0.10 M, 0.14 M y 0.18 M. Como controles, se realizaron experimentos empleando únicamente ácido cítrico en las concentraciones mencionadas y por separado, cada una de las fuentes de cobalto. Además, se incluyeron experimentos con la solución lixiviada. Los estudios electroquímicos demostraron que la electrodeposición de cobalto, tanto en soluciones sintéticas como la solución lixiviada, está controlada por la transferencia de masa en la capa límite de difusión. Para estas pruebas, se utilizó un electrodo de acero inoxidable 304, y se determinó que el potencial optimo de electrodeposición del cobalto es de −1.2 V vs. SCE. Los resultados indicaron que la combinación más efectiva para maximizar la electrodeposición correspondía a una solución con 5000 mg/L de Co proveniente de CoSO₄ y 0.14 M de ácido cítrico. Se realizo un modelado de nucleación para evaluar el crecimiento instantáneo o progresivo en soluciones sintéticas, determinando que la electrodeposición de Co en presencia de citrato corresponde a un mecanismo de nucleación instantánea. Este análisis permitió calcular el coeficiente de difusión (D) de Co(II) es 3.73x10⁻⁶ cm・s-¹ ±0.9. Adicionalmente, se llevaron a cabo experimentos de microelectrólisis utilizando un electrodo rotatorio cilíndrico de acero inoxidable 304, variando las velocidades de rotación para determinar el coeficiente de transferencia de masa (km). Para ello, se emplearon la primera ley de Faraday, la corriente limite y la definición de (km). Se evaluaron tres diseños de reactores electroquímicos rotatorios (RCE1, RCE2 y RCE3) mediante simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD), analizando el consumo de potencia por volumen de trabajo. Los reactores RCE1 y RCE2 fueron seleccionados para los experimentos de macro electrolisis. RCE1 consistía en un cátodo rotatorio con fondo abierto y un ánodo cilindro externo, mientras que RCE2 incorporaba un ánodo interno adicional. Las simulaciones, validadas experimentalmente, permitieron identificar patrones de flujo y velocidades de rotación del cátodo (50 a 1000 rpm) que inducen vórtices de Taylor. Se determino que las velocidades mínimas para generar estos vórtices oscilaban entre 50 y 125 rpm. Los reactores RCE1 y RCE2, construidos en acero inoxidable 304, se utilizaron en experimentos de macroelectrólisis aplicando un potencial de −1.2 V durante 12 horas, con velocidades de rotación del cátodo de 50, 75 y 125 rpm, seleccionadas con base en las simulaciones. La configuración RCE2, con un ánodo interno adicional, mostro un rendimiento superior a RCE1, alcanzando una recuperación de cobalto del 72% a 125 rpm, una eficiencia de corriente del 99.5% a 50 rpm y una mayor pureza en el depósito obtenido. Los resultados indicaron que la cinética de electrodeposición seguía un modelo de segundo orden, con una constante mayor para RCE2, lo que refleja condiciones más favorables y una velocidad de reacción superior. La pureza del cobalto en los depósitos alcanzo el 90%, destacando un crecimiento homogéneo de la película electrodepositada a altas velocidades de rotación. Estos hallazgos subrayan el potencial de la configuración RCE2 para aplicaciones industriales, ofreciendo una recuperación eficiente de cobalto a partir de LIBs desechadas, con alta eficiencia de corriente, pureza del material recuperado.
- Degradación de cianuro en soluciones sintéticas características del proceso de post-lixiviación de plata mediante fotocatálisis heterogénea con vanadato de bismuto: efecto del ozono y co-catalizadores cianometálicos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco., 2025) Vargas Rueda, Johan AndrésLa implementación a gran escala de procesos de oxidación avanzada en el tratamiento de aguas residuales requiere una mayor comprensión de los mecanismos subyacentes. Hasta el momento, el comportamiento de las nanopartículas de TiO₂ en la degradación de contaminantes orgánicos e inorgánicos ha sido objeto de extensas investigaciones. No obstante, su principal limitante es la foto-activación del catalizador mediante radiación ultravioleta. Una alternativa ha sido el dopaje del TiO₂ mediante la incorporación de diferentes átomos metálicos o elementos no metálicos como el nitrógeno y carbono, favoreciendo la absorción de fotones en el espectro visible. También, como material emergente fotocatalítico, se ha investigado al compuesto ternario de vanadato de bismuto (BiVO₄), producto de sus propiedades fisicoquímicas, tales como su alta absorción en el espectro visible, así como sus propiedades texturales y de transporte eléctrico en función de su tamaño y morfología. Aun así, la eficiencia fotocatalítica del BiVO₄ se ve limitada por la rápida recombinación de los pares electrón-hueco, lo que restringe la movilidad de los portadores de carga hacia la superficie del material. Una alternativa es la implementación de técnicas híbridas que integran el uso de ozono en presencia del BiVO₄ activado mediante irradiación electromagnética. Este enfoque potencia las propiedades altamente reactivas del ozono, el cual actúa simultáneamente como un potente agente oxidante y una especie electrofílica, lo que a su vez le permite interactuar con los electrones fotogenerados en la banda de conducción del catalizador. Esta interacción favorece la generación de especies reactivas intermedias esenciales para la degradación eficiente de contaminantes. Otra estrategia viable para inhibir la recombinación de los portadores de carga es la incorporación de co-catalizadores en el BiVO₄ en procesos de fotocatálisis heterogénea, prescindiendo del uso de ozono. La integración de compuestos sólidos coordinativos de cianuro, enlazados con metales de transición como hierro y cobalto, permitió la modificación superficial del 𝐵𝑖𝑉𝑂₄ con especies de la forma 𝑀𝑎[𝑀𝑏 (𝐶𝑁)6]𝑦, donde 𝑀 representa el catión metálico de naturaleza divalente o trivalente. Además, la presencia de los compuestos cianometálicos actúan como centros activos para la transferencia de carga, favoreciendo la generación de especies reactivas y mejorando la selectividad del proceso. La presente investigación se centró en el análisis de la fotocatálisis heterogénea utilizando co-catalizadores acoplados al BiVO₄, así como en la ozonización fotocatalítica heterogénea con BiVO₄, como estrategias para la degradación del cianuro. Estos métodos avanzados de oxidación ofrecen un enfoque prometedor para mitigar los riesgos ambientales y de salud asociados con la presencia de cianuro; particularmente en aguas residuales provenientes de actividades industriales. El cianuro es uno de los compuestos químicos más empleados en la industria hidrometalúrgica, a pesar de que se le clasifica como un contaminante inorgánico recalcitrante debido a su notable toxicidad y elevada estabilidad en el medio ambiente. Por ello, este estudio se enfocó en evaluar la eficiencia de degradación de cianuro en matrices acuosas que contienen especies metálicas como plata, cobre, hierro, plomo y zinc. Para ello, se utilizaron soluciones sintéticas que representan las características de los efluentes generados durante los procesos de post-lixiviación de plata en la Compañía Minera Real del Monte y Pachuca, S.A.
- Modelado y optimización de una planta híbrida tipo túnel para la deshidratación de productos agroindustriales(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco., 2025) González Bravo, Humberto EduardoEsta tesis aborda la evaluación de estrategias operativas para reducir el consumo energético y el impacto ambiental en una planta deshidratadora híbrida de productos agroindustriales en Xochitepec, Morelos. La planta, con capacidad de deshidratación de 100 a 200 kg de producto fresco, emplea fuentes térmicas solares y de gas, lo que la hace particularmente eficiente y flexible. Se desarrolló un modelo matemático basado en balances de masa y energía para predecir el comportamiento de la planta bajo diversas condiciones operativas, validado con datos experimentales obtenidos durante la deshidratación de piña. Los resultados mostraron un error relativo máximo del 7%, garantizando la confiabilidad del modelo para evaluar estrategias energéticas y ambientales. Entre los hallazgos más destacados, se identificó que la eliminación de infiltraciones de aire puede reducir hasta 24 minutos el tiempo de secado, mientras que un flujo reducido hacia los colectores solares incrementa la temperatura de secado, disminuyendo el tiempo hasta en 40 minutos. También se analizó el impacto de establecer temperaturas mínimas en el túnel, concluyendo que incrementos de 45°C a 70°C reducen los tiempos de secado significativamente. En el caso del chile rojo, el modelo identificó una relación de recirculación óptima del 70%, maximizando la eficiencia térmica y minimizando las emisiones de CO₂. Las estrategias operativas se optimizaron mediante un algoritmo genético multiobjetivo, considerando variables como el flujo másico de aire, la temperatura mínima y la relación de recirculación. Los resultados de optimización lograron reducir el contenido de humedad residual a menos de 10% b.h., con costos específicos competitivos de 0.3-0.36 USD/kg y emisiones de CO₂ de 120-150 kg por lote. Las estrategias propuestas ofrecen un balance entre eficiencia energética, costo operativo y sostenibilidad ambiental, destacando el uso de modelos matemáticos y algoritmos avanzados como herramientas clave para optimizar procesos industriales sostenibles.
- Observabilidad y diseño de observadores no-lineales en producción de biocombustibles(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2022-05) Flores Mejía, HilarioUno de los mayores obstáculos para el diagnóstico, monitoreo y control de bioprocesos es la ausencia de sensores para la medición de variables clave que tengan las siguientes características: (i) en línea, (ii) confiables, (iii) no intrusivos, (iv) esterilizables, y (v) con buenas propiedades de robustez. Las variables clave en la mayoría de bioprocesos incluyen la carga orgánica, las especies de microorganismos, las concentraciones de metabolitos o productos intermedios y las velocidades de reacción. En la literatura se han propuesto los sensores suaves u observadores de estados para la estimación de estados no medibles en una gran cantidad de bioprocesos. Un observador de estados es un sistema dinámico que reconstruye estados no medidos de un sistema con base a un modelo dinámico del sistema y de las mediciones disponibles. Un análisis previo al diseño del observador es la propiedad de observabilidad, la cual se ha estudiado usando diferentes aproximaciones. Sin embargo, la más común es la que se basa en el criterio de observabilidad con base a una linealización del modelo original en un punto de operación dado, por lo general en los puntos de equilibrio del proceso. En la actualidad estas técnicas se han complementado con otras técnicas de diferentes áreas, como los diagramas de inferencia. Existe una gran cantidad de diseño de observadores, tales como los observadores clásicos de Luenberger y filtros de Kalman que garantizan convergencia asintótica de los estados estimados a los reales considerando un modelo perfecto y que se cumple la propiedad de observabilidad en su aproximación lineal. Para tratar con incertidumbres del modelo se han propuesto extensiones o modificaciones a los observadores anteriores, así como otras propuestas tales como observadores difusos, adaptables, y de tipo modo deslizante. El interés de este proyecto de investigación doctoral es profundizar en el estudio de la observabilidad y el diseño de los observadores más adecuados para bioprocesos en producción de biocombustibles. En particular, la investigación se centra en tres aspectos: (i) El análisis de observabilidad no-lineal con base a diferentes enfoques reportados en la literatura. (ii) La variabilidad de las propiedades de la observabilidad en diferentes regiones de operación. (iii) La aplicación de diferentes técnicas de estimación de estados a diferentes casos de estudio. Debido a su relevancia e interés actual, la clase de bioprocesos considerados son los biocombustibles, sin embargo, las metodologías y resultados reportados se espera que sean aplicables a una amplia clase de bioprocesos.
- Caracterización y modelado de un reactor anaerobio de flujo ascendente empacado con lecho de lodos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2020) Vian Pérez, José GuadalupeLa generación y deficiente disposición de residuos sólidos urbanos es una problemática ambiental y de salud pública. Ante esto es necesario generar tecnologías de valorización energética de los residuos o implementar las ya existentes. En este breve contexto, el objetivo del presente trabajo fue caracterizar una nueva configuración de reactor para el tratamiento anaerobio de residuos de frutas y verduras (RFV). El reactor consiste en un dispositivo tubular que consta de diferentes secciones que son: un lecho de lodos, una sección buffer y una sección de empaque de RFV. En este trabajo, primero se evaluó el desempeño del Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente Empacado con Lecho de Lodos (RAFAELL). El reactor presentó 67 % de remoción de sólidos y la productividad de metano fue de 3.6 LCH4∙LR-¹∙d-¹, que es similar a la reportada para sistemas de dos etapas que tratan RFV con velocidades de carga orgánica mayores a 5 g SV∙L-¹∙d-¹. El desempeño óptimo del reactor fue alcanzado operando con una velocidad superficial de 1.4 m·h-¹ y un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 10 d; los valores de los parámetros de operación y control fueron: pH de 6.5 – 8, velocidad de carga orgánica de 10 g SV∙L-¹∙d-¹ y temperatura de 35 °C y. A estas condiciones, la productividad de metano que se obtuvo fue de 3.6 LCH4∙LR-¹∙d-¹. Posteriormente se determinó experimentalmente la distribución de tiempos de residencia en el reactor con la finalidad de conocer su patrón de flujo. En todos los casos, el patrón de flujo se encontró en uno intermedio entre flujo pistón y mezcla completa, esta información permite confirmar que existe una separación de etapas en el reactor. Se encontró como fuente principal de retromezcla el flujo de biogás, la concentración de sólidos en el lecho de lodos y la zona de empaque de residuos, sin embargo, este efecto es minimizado al incrementar la velocidad superficial de la fase líquida. El patrón de flujo fue descrito satisfactoriamente a través de un modelo de dispersión axial considerando también la presencia de zonas de estancamiento. Por otro lado, se analizó la cinética de degradación anaerobia de RFV, encontrando efecto significativo del tamaño de partícula y composición del sustrato sobre la producción de metano. La digestión anaerobia de RFV con tamaño de partícula < 500 μm y con una fracción de fácil biodegradación de 0.73 presentó fenómenos de inhibición. La información permitió establecer un modelo matemático en el que las principales variables son el tamaño de partícula y la proporción de la fracción fácilmente biodegradable en el residuo.