Doctorado en Ingeniería - Ciencia y Tecnología de Materiales

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Microstructural changes in pearlitic steels as a consequence of rail operation and maintenance activities
(Universidad Nacional de Colombia, 2025-09-08) Jaramillo Carvalho, Jaime Alberto; Toro Betancur, Alejandro; Suarez Bustamante, Fabio Alexander; Wilches Peña, Luis Vicente; Jaramillo Carvalho,Jaime Alberto [https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000728136]; Jaramillo Carvalho, Jaime Alberto [0000-0002-2213-6078]; Suárez Bustamante, Fabio Alexander [0000-0002-9810-6641]; Wilches Peña, Luis Vicente [0000-0002-5095-4369]; Grupo de Tribología y Superficies
This doctoral thesis presents a comprehensive study on the microstructural degradation of pearlitic steels used in railway rails, resulting from maintenance activities—particularly corrective grinding—and severe in-service operating conditions. A grinding device was designed and manufactured as part of this research, allowing control over key parameters such as rotational speed, cutting depth, and applied load. This setup enabled the reproduction of White Etching Layers (WEL) under laboratory conditions, providing critical insights into their formation mechanisms in railway components. In addition, rail sections removed from service with squat-type defects and thermal damage caused by severe sliding and braking were analyzed to compare field-induced damage with that generated under controlled experimental conditions. An experimental correlation was established between microstructural transformations and the response of nondestructive testing techniques, including Magnetic Barkhausen Noise (MBN), eddy current testing (EC), and X-ray diffraction (XRD). These signals were interpreted based on the microstructural condition of the material. Microstructural characterization was complemented by advanced techniques such as Transmission Electron Microscopy (TEM) and Geometrical Phase Analysis (GPA), which enabled the nanometric identification of tetragonal martensite, retained austenite, fragmented cementite, and regions with localized stress redistribution. SAED patterns and strain maps revealed a progressive structural transition within the WEL, highlighting pase fragmentation phenomena. The main novelty of this research lies in the implementation of a multiscale methodology that combines advanced microstructural characterization with non-destructive testing, establishing an experimental framework for the physical interpretation of electromagnetic signals based on the material’s microstructural state. This approach offers direct applicability in the field, supporting functional assessment and predictive monitoring strategies for railway infrastructure. (Tomado de la fuente)
Determinación de la cinética de molienda SAG considerando la influencia reológica de finos en pulpa
(Universidad Nacional de Colombia, 2025-03-20) Valencia Guaricela, Fernando Tulio; Bustamante Rúa, Moisés Oswaldo; Valencia Guaricela, Fernando Tulio [0000000202078341]; Ciencia y Tecnología de Materiales
Determinación de la cinética de molienda SAG considerando la influencia reológica de finos en pulpa En este estudio se presentan los resultados experimentales obtenidos a escala de laboratorio, donde bajo condiciones de molienda semiautógena SAG controlada, se procedió a la molienda de un monotamaño de mena silícea de 1.25 cm a la que se le añadió una pulpa preparada del mismo material con diferentes concentraciones de fino por debajo de malla 200, considerada ésta una fase contaminante. La investigación determinó la influencia en la cinética de fractura de las partículas gruesas bajo la premisa de que la presencia de finos en una pulpa modifica el comportamiento reológico de un fluido inicialmente de tipo newtoniano como el agua a otro no newtoniano como han mostrado las pulpas minerales. Los resultados obtenidos muestran una relación inversamente proporcional entre la presencia de finos y las velocidades específicas de fractura de las partículas gruesas. Esto permitió desarrollar modelos de función de fractura considerando diferentes escenarios de viscosidad aparente en la pulpa contaminante. (Texto tomado de la fuente)
Development of aminated-hydroxyethyl cellulose coatings modified with cerium oxide for magnesium alloys for biomedical applications
(Universidad Nacional de Colombia, 2024-07-12) Hernández Montes, Vanessa; Santa Marín, Juan Felipe; Buitrago Sierra, Robison; Hernández Montes, Vanessa [0000-0002-4692-3623]
Magnesium alloys have emerged as promising candidates for use in orthopedic implants due to their biodegradability, the lack of need for secondary excisional surgery, and the potential to reduce the cost of hospital care. AZ31 and ZK60 magnesium alloys are susceptible to biodegradation under in vivo conditions without completing the time required for bone implant stabilization. In this work, two magnesium alloys were with the purpose of improving their corrosion resistance and cytocompatibility. For this, the surfaces of the magnesium alloys ZK60 and AZ31 were modified using two different techniques. 1. Dip-coating to obtain coatings with PLA-AHEC-CeO2 with possible corrosion inhibition properties. For this purpose, a thin coating of polylactic acid (PLA) was first obtained by immersing the metal samples in a solution of PLA and dichloromethane, using an immersion and extraction speed of 65 mm/min. Subsequently, the AHEC-CeO2 film was deposited using the dip-coating technique in a solution containing AHEC and 1000 ppm of CeO2 nanoparticles. Finally, the coatings were dried at room temperature. The cerium nanoparticles were synthesized in the laboratory using a green synthesis route. 2. Plasma electrolytic oxidation (PEO) and PLA coating. The PEO coating was used as a physical barrier to prevent corrosion, thus slowing the corrosion process of the magnesium alloys. The PLA coating was applied to seal the pores within the PEO coating. The PEO coatings were applied to the magnesium alloys in an electrolyte based on sodium metasilicate and potassium hydroxide. A dip coating method was used to deposit PLA thin films on AZ31 and ZK60 Mg alloys. For the two surface modification methods, a physical-chemical characterization was conducted. The corrosion resistance was evaluated through hydrogen evolution and potentiodynamic polarization tests, and in-vitro cellular response through direct and indirect tests was also evaluated. All assays were performed in triplicate to ensure the reliability of the results. The results demonstrated that it was possible to obtain coatings using the proposed methodology. The proposed coatings showed a reduction in the corrosion rate of up to two orders of magnitude was achieved. The hydrogen evolution results and the potentiodynamic polarization tests allow us to identify that both the coatings composed of PLA-AHEC-CeO₂ and PEO-PLA were good candidates for implementation in anti-corrosion applications. However, the best results were found for the AZ31 and ZK60 samples modified with PEO-PLA with regard to cell viability and proliferation. Furthermore, MC3T3 pre-osteoblastic cells showed good adhesion on the surface of the ZK60-PEO-PLA and AZ31-PEO-PLA coatings. Consequently, PEO-PLA films have been proposed as a physical barrier to provide good corrosion protection in biomedical application. (Tomado de la fuente)
Magmatism as a tracer of the cenozoic crustal evolution of the Northern Andes
(Universidad Nacional de Colombia, 2024-10-31) Jaramillo Ríos, Juan Sebastián; Cardona Molina, Agustín; Zapata Henao, Sebastián; https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001553908; https://scholar.google.com/citations?user=uMbRBRoAAAAJ&hl=es; https://orcid.org/0000-0003-1067-9259; https://www.researchgate.net/profile/Juan-Jaramillo-Rios; Grupo de Estudios en Geología y Geofísica Egeo
Crustal evolution in orogenic belts, such as the Northern Andes, has broadly been associated with subduction and mantle dynamics, the collision of allochthonous blocks, and the recycling of the lower crust into the asthenospheric mantle. All of these scenarios can produce magmatic rocks, which are sensitive enough to trace changes experienced by the continental crust. In this study, field relations, petrography, zircon U-Pb (LA-ICP-MS and CA-ID-TIMS) geochronology, geochemistry, and isotopes (Hf), as well as whole-rock geochemistry and isotopes (Nd-Sr-Pb) modeling, and 40Ar/39Ar geochronological data, were used to understand the magmatic evolution of the Paleocene-Eocene continental magmatic arc and the Pliocene-Pleistocene volcanic rocks recorded in the central segment of the modern Colombian magmatic arc. Therefore, these magmatic rocks were used as a tracer of the long-term modification of the continental crust in convergent margins. The Paleocene-Eocene (66 - 50 Ma) continental magmatic arc was formed after the collision of the Caribbean Plate with the Northern Andean continental margin at ~72 Ma. These rocks were highly exhumed and underwent high weathering and erosion rates, which resulted in the volcanic sources of this magmatism being transported to the sedimentary basins. In order to avoid sampling bias produced by the limited exposure of the plutonic facies of this magmatism, detrital zircons collected in sedimentary rocks were very important to understand the behavior of this magmatic arc. Siliciclastic rocks from the Bogotá Formation were analyzed by LA-ICP-MS and CA-ID-TIMS geochronology and zircon chemistry. The results show that this magmatism started at ~ 66 Ma, which is ~ 4 Myr earlier than previously proposed by other authors and ended at ~50 Ma. This magmatism was formed in a heterogeneously thick continental crust, strongly controlled by strike-slip tectonics. Finally, this study proposes lithospheric dripping into the mantle to explain the bi-modal continental crust thick between 62 and 55 Ma. After forming this arc, the continental margin was characterized by an oblique regime, which shut down the magmatic production between 50 and 35 Ma. The magmatic rocks restarted in the Western Cordillera as the Timbiquí arc and migrated toward the east up to where the modern magmatic arc is located. During the Pliocene-Pleistocene, the central segment of the modern Colombian magmatic arc is characterized by the production of contrasting magmatic rocks, including high-silica rhyolites, adakite-like andesites, and OIB-like alkaline basalts. The high-silica rhyolitic ignimbrites were formed during a high magmatic flux (magmatic flare-up) in this arc segment at 2.6 Ma. This study proposes that the high magma flux produces a significant volume of basaltic cumulates, which were ponded in the base of the crust, facilitating the formation of garnet-bearing pyroxenites known as arclogites. This magmatic flare-up could be related to an increased sediment input into the subducted slab, as suggested by the isotopic modeling. It is known that the arclogites in this arc segment are denser than the underlying mantle. It is proposed that Pleistocene olivine basalts and andesites associated with monogenetic volcanism found in this arc section are related to dripping rather than complete delamination of the lower crust into the asthenospheric mantle, originating from two distinct arclogites: one garnet-bearing and the other amphibole-garnet-bearing pyroxenite. The chapters developed in this thesis demonstrate how the continental margin of the Northernmost Andes has been dynamic throughout the Cenozoic era. Unlike the Central Andes, where orogeny is predominantly driven by subduction-dynamics shortening, the Colombian orogen is influenced by block collisions, strike-slip tectonics, and magmatic underplating. The magmatic underplating in this Andean section may have been the critical factor controlling the crustal thickness and subsequent removal of the lower, denser, and unstable portion of the lithosphere.
Modelo cinético para la obtención de polimorfos de ye’elimita, C_4 A_3 S ̅
(Universidad Nacional de Colombia, 2023-06-21) Berrío Solarte, Ariel; Tobón, Jorge Iván; Berrío Solarte, Ariel [0009-0001-1879-5775]; Tobón, Jorge Iván [0000-0002-1451-1309]; https://www.researchgate.net/profile/Ariel-Berrio-2; Grupo del Cemento y Materiales de Construcción
En el mundo de los materiales de la construcción cada vez crece más la demanda de productos que puedan ofrecer ventajas no solo desde el punto de vista constructivo sino desde el punto de vista ambiental. En el caso particular del cemento, se busca que los productos basados en este material sean más amigables con el medio ambiente, esto es, que generen menores emisiones de CO2 y que posean un menor consumo energético. Además, dado que se requiere mantener un alto desempeño de los materiales, alta resistencia física y química, así como durabilidad bajo condiciones extremas, la exigencia sobre estos materiales cementantes seguirá incrementándose cada vez más desde las diferentes aristas de la sostenibilidad. Sobre el cemento Portland ordinario existe un amplio campo de estudios tecnológicos bastante desarrollados que abarcan desde las materias primas hasta su uso y sus aplicaciones industriales, estos estudios han permitido tener claridad en los beneficios y retos de este material. Entre ellos están los relacionados con su alto consumo per-cápita, sus características de endurecimiento y el uso del material en el desarrollo de la compleja infraestructura de la que hoy se beneficia la humanidad. Muchos investigadores y empresas han concentrado sus esfuerzos y recursos en identificar materiales alternativos al cemento Portland tradicional, buscando maximizar alguna característica particular del cemento y/o buscando mayores eficiencias económicas, sociales o ambientales. Un ejemplo de dichos materiales alternativos son los llamados Cementos de Tercera Generación entre los que se destaca el cemento base sulfoaluminato cálcico (CSA, por sus siglas en inglés), con sus variaciones. En los últimos 15 años, y particularmente en 2018, se evidencia un incremento en las publicaciones científicas asociadas a este tipo de cemento de acuerdo con varias bases de datos disponibles, Science Direct, Scopus, entre otras, donde se exploran las diferentes características y propiedades de desempeño del cemento, así como también se observan aspectos por solucionar de la química del material, interacciones con aditivos y durabilidad. A partir de estas características se genera una amplia discusión sobre los retos técnicos del cemento CSA, lo cual permite ampliar el conocimiento de la comunidad sobre el mismo, así como la materialización de su producción y el aprovechamiento de sus características de desempeño para cubrir las necesidades de infraestructura que requieren los países. Actualmente se sigue profundizando cada vez más en varios aspectos relevantes del cemento CSA, como los relacionados con su producción eficiente, usando materias primas alternativas; mejorando su desempeño mecánico, la regulación del proceso de hidratación del cemento CSA, identificación de los productos de la hidratación, mezclas con otros materiales cementantes, entre otros. Uno de los campos de estudio relacionados con el cemento CSA está enfocado a la síntesis del clinker CSA, en la cual, se identifican oportunidades de mejora al reducir la energía requerida para la combinación de los óxidos de calcio, aluminio y azufre necesarios para la formación de sulfoaluminato cálcico en sus diferentes formas cristalinas (polimorfos), oportunidades en la optimización de las reacciones en estado sólido usando temperaturas relativamente más bajas que las del cemento Portland (entre 1000 °C y 1300 °C). La determinación de la velocidad de reacción en función del grado de conversión, es decir, la identificación de la fuerza impulsora, o potencial energético, que gobierna la cinética de reacción necesaria para que las moléculas participantes de la rección de formación del clinker CSA se combinen para formar los compuestos de ye’elimita con unas estructuras cristalinas deseadas, alcanzando la estabilización de las fases, en unas proporciones particulares de dichas estructuras, permitirán aportar en el entendimiento del comportamiento mecánico del cemento CSA producido, que contiene los polimorfos de ye’elimita. En este caso, el estudio sobre la formación de las diferentes fases cristalinas del cemento CSA, la ye’elimita y sus polimorfos cúbico y ortorrómbico, y particularmente la velocidad a la que cada uno de ellos se forma durante el proceso de sinterización, esto es, los aspectos cinéticos y termodinámicos, representan el mayor interés de esta investigación, en la que los modelos de reacción de los compuestos fundamentales y mayoritarios en un cemento CSA mencionados (ye’elimita, en sus formas cristalinas cúbica y ortorrómbica), son base fundamental para entender posteriormente la capacidad que tendrá el material (cemento CSA) para hidratarse y endurecer y ofrecer mejoras en los proceso productivo y de uso en los procesos de construcción. Como se mencionó, el tema planteado en esta investigación sobre la cinética de formación de la ye’elimita, como fase principal, mayoritaria y característica de los cementos CSA es fundamental para entender y controlar la formación de las fases polimórficas del cemento CSA. La velocidad de hidratación de cada uno de los polimorfos de ye’elimita descritos como los mayoritariamente presentes en el cemento CSA tiene una incidencia directa en el desempeño en estado fresco y endurecido del cemento CSA; mayor contenido de ye’elimita ortorrómbica aumenta la velocidad de hidratación del cemento CSA, sin embargo la presencia del polimorfo cúbico hace que el cemento CSA se hidrate más lentamente que si solo el polimorfo ortorrómbico está presente en el cemento CSA durante la mezcla con el agua, la mezcla de los polimorfos puede entonces aportar un comportamiento intermedio del cemento CSA al momento de hidratarse. Por lo tanto, usando el modelo cinético producto de este trabajo de investigación, se puede concluir que la velocidad formación de cada polimorfo durante las reacciones en estado sólido en un rango de temperaturas definido, permite controlar la presencia o no de cada compuesto de ye’elimita en el cemento CSA y su desempeño. Se han planteado algunos mecanismos de reacción y algunas cinéticas de reacción en algunas publicaciones científicas para describir la formación de la ye’elimita, pero varias de estas referencias asumen la presencia de una única fase cristalina de la ye’elimita, otros plantean una cinética usando productos intermedios como reactivos llevándolos a temperaturas que pueden influir sustancialmente en la estabilización de la ye’elimita (>= 1350 °C). Estas experimentaciones han permitido avanzar en el entendimiento general de la cinética de formación de la ye’elimita, pero es necesario diferenciar la cinética asociada a cada polimorfo dado que sus comportamientos al momento de hidratarse varían. Al identificar la cinética particular de cada polimorfo es posible estimar y/o determinar el comportamiento del cemento al momento de su uso. Este conocimiento de la cinética de formación de los polimorfos ofrece una mejor oportunidad para controlar los procesos de formación de cada polimorfo y posteriormente la hidratación del cemento CSA y permitirá orientar los resultados obtenidos en esta escala de laboratorio hacia el escalamiento de producción del cemento CSA a nivel industrial. Se ha reportado la presencia de diferentes polimorfos de ye’elimita en el cemento CSA: cúbica, tetragonal y ortorrómbica, las cuales ocurren a temperatura ambiente y basados en la estequiometría de cada una de estas fases cristalinas; sin embargo, se ha encontrado que la fases ye’elimiticas predominantes en los cementos CSA sinterizados a nivel de laboratorio y en los cementos CSA disponibles en el mercado, son la fase cúbica como base estructural y la ortorrómbica como una derivación de la primera. Se ha identificado la presencia de esta fase cristalina y sus dos formas polimórficas mencionadas, las cuales son las más estables y abundantes en muchos de los cementos CSA analizados desde el punto de vista mineralógico. Esto aplicado tanto para los cementos elaborados a escala laboratorio como los cementos producidos a escala industrial. A partir de la cinética definida para cada uno de los polimorfos de ye’elimita, modelo difusivo combinado con contracción geométrica, modelo de orden de reacción (primero, segundo o tercer orden de reacción), entre otros, identificados mayoritariamente durante la síntesis del cemento CSA a diferentes escalas (desde laboratorio hasta escala industrial), este trabajo describe como favorecer, desde el punto de vista cinético (temperatura y velocidad de reacción), la presencia mayoritaria de uno y otro polimorfo en producción del compuesto denominado ye’elimita, como fase cristalina mayoritaria y característica que otorga las propiedades mecánicas al cemento CSA. El comportamiento diferencial de los polimorfos cúbico y ortorrómbico al momento de hidratarse y en presencia de yeso, encontrados en esta investigación, coinciden con los trabajos de investigación realizados en la Universidad de málaga [1]. Los resultados de las evaluaciones de micro calorimetría de los cementos CSA con diferentes proporciones de cada polimorfos presentados son coherentes con las velocidades de hidratación referidas, esto permite validar que los modelos de velocidad de reacción (cinética de reacción) desarrollados para cada polimorfo en este trabajo representan adecuadamente su formación y permiten controlar su producción. El modelo cinético planteado para las reacciones en estado sólido que describe la formación de cada polimorfo de ye’elimita, se basa en las reacciones químicas que ocurren en los procesos de sinterización de clinker CSA y que funcionan en analogía con el proceso de producción de clinker OPC, pero que hasta ahora no se ha reportado el mecanismo que represente la formación de uno y otro polimorfo. El fundamento del desarrollo de esta investigación radica en el modelo de reacción, que para los polimorfos de ye’elimita se basa en una combinación de eventos químicos entre la difusión en estado sólido, la contracción geométrica de las partículas, el efecto de fases fundentes, materiales vítreos y la dependencia en la concentración de los reactivos o reactantes y que son considerados influyentes y/o etapas controlantes de la reacción. Por lo tanto, como resultado final se concluye que el modelo de difusión propuesto por Jander es el que mejor representa la cinética de formación para el polimorfo ortorrómbico y el modelo de tercer orden para el cúbico. Para la identificación de cada modelo se parte de procesos de síntesis previamente realizados a partir de reacciones en estado sólido a nivel de laboratorio y en hornos industriales, adicionalmente, gracias a la caracterización y refinamiento de las estructuras mineralógicas de los polimorfos se logra su adecuada discriminación y caracterización usando la técnica de difracción de rayos X. Luego del planteamiento del modelo a partir de las síntesis de referencia preliminares, se valida el ajuste del modelo de cada polimorfo a partir de la comparación de los contenidos de los compuestos en nuevas síntesis y la comparación de las curvas cinéticas que correlacionan el grado de reacción con la ecuación cinética de cada modelo. Finalmente, esta investigación identifica, a partir del modelo cinético que mejor se ajusta, cuanta energía de activación es necesaria para que ocurra la formación de cada polimorfo, lo cual está directamente relacionado con su velocidad de reacción, y describe la constante de velocidad que determina la formación de cada polimorfo, desde el punto de vista del modelo cinético determinado. De esta forma se tiene que, la energía de activación obtenida para la ye’elimita ortorrómbica Ea= 395.5 kJ/mol y para la ye’elimita cúbica Ea= 327.8 kJ/mol, el factor de frecuencia, A, 1.6033x10+10 min-1 y 5.0581x10+9 min-1 para ye’elimita ortorrómbica y cúbica respectivamente. Como se mencionó anteriormente, En las reacciones en estado sólido de los procesos de clinkerización predominan los factores como la contracción geométrica y la difusividad, esta última se reconoce como la etapa controlante de la reacción de formación de las fases del cemento OPC y CSA, y describe la formación de los polimorfos de la fase cristalina conocida como ye’elimita (o compuesto/sal de Klein), la ye’elimita ortorrómbica (OY) y la ye’elimita cúbica (CY). Estas fases presentes en los cementos CSA fueron sinterizadas a escala de laboratorio usando compuestos grado reactivo. A nivel industrial se usan materiales de origen natural, por lo que para favorecer uno u otro polimorfo se requiere un mayor esfuerzo, este es un resultado fundamental pues, como consecuencia de este entendimiento de la cinética, se puede influir y favorecer la presencia de cada polimorfo a nivel industrial, así controlar el desempeño del cemento CSA al momento se su uso y aplicación, es decir, se pueden diseñar diferentes cementos CSA al favorecer la presencia de uno u otro polimorfo de ye’elimita en la producción del mismo. El resultado generado en esta investigación permite avanzar en el entendimiento básico de la fase ye’elimita y la velocidad de formación de sus polimorfos cúbico y ortorrómbico, en la producción del cemento CSA. Trabajos de investigación posteriores permitirán optimizar el proceso su producción a escala industrial y validar el efecto de la hidratación de los polimorfos en el desempeño y capacidad de cemento de ser más sostenible respecto al Cemento Portland Ordinario (OPC, por sus siglas en inglés). (Texto tomado de la fuente)
Evaluación de la actividad catalítica de una muestra de la Dunita de Medellín en la generación de productos con valor agregado a partir de glicerol
(Universidad Nacional de Colombia, 2020-04-20) Villegas Bolaños, Paola Andrea; Dorkis, Ludovic; Márquez Godoy, Marco Antonio; Villegas Bolaños Paola Andrea; PAOLA ANDREA VILLEGAS BOLAÑOS; Paola Andrea, Villegas-Bolaños [0000-0001-8697-8736]; Dorkis, Ludovic [0000-0003-2113-3542]; Márquez Godoy, Marco Antonio [0000-0002-7462-2430]; Grupo de Mineralogía Aplicada y Bioprocesos (Gmab); Grupo de Investigación en Catálisis y Nanomateriales
El potencial catalítico de la dunita de Medellín calcinada a 1200°C y reducida a 900°C fue evaluado mediante dos técnicas catalíticas: el reformado de glicerol con vapor convencional y mediante el acoplamiento a plasma no térmico (NTP). En el método convencional se encontró que la presencia de la dunita de Medellín calcinada incrementa la conversión de glicerol de 58%, sin catalizador, a 97% a 600°C, y facilita la generación de gas de síntesis con una relación de H2/CO de 1.1 y 1.5 con temperaturas de reacción de 700° y 800°C respectivamente, con conversión de glicerol del 100% y sin depósitos de coque, favoreciendo la producción de H2 y CO2 con bajos contenidos de CH4. La temperatura de reacción determinó la formación de productos en fase líquida a 600°C, con tendencia a la formación de productos de deshidrogenación del glicerol, especialmente por el hidroxilo terminal. En cuanto al reformado de glicerol con vapor acoplado a plasma no térmico, se encontró que se formó una atmósfera oxidativa en el proceso de descomposición del glicerol y que este proceso podría llevarse a cabo vía radicales OH. La deshidrogenación inducida por el mineral calcinado acoplado a NTP se desarrolló principalmente sobre el hidroxilo secundario. Bajo condiciones de reacción de 200°C, 0.8 W de potencia, 3 kHz de frecuencia y un volumen activo de 0.55 cm3, se obtuvo dihidroxiacetona, ácido succínico y ácido fórmico con selectividades de 14%, 14% y 8.2% respectivamente, con una conversión de glicerol de 52%, mientras que las selectividades obtenidas sin catalizador fueron menores al 6%. Finalmente, este estudio permitió establecer que es posible generar un geocatalizador a partir de la dunita de Medellín bajo las condiciones empleadas en este trabajo, para el reformado de glicerol con vapor por catálisis convencional o acoplada a plasma no térmico, siendo estas alternativas viables e interesantes para la valorización del glicerol hacia productos en fase gaseosa o líquida. Sin embargo, es necesario establecer condiciones óptimas para la obtención de gas de síntesis y/o de los productos condensados mencionados. Además, es importante plantear estudios centrados en dilucidar los mecanismos por los cuales los compuestos de Fe activos en el mineral calcinado (hematita, olivino y magnetita) desempeñan su rol en la descomposición del glicerol, con el objetivo de mejorar el geocatalizador y hacerlo más selectivo, aprovechando la capacidad del material para mitigar los depósitos de coque, característica observada mediante catálisis convencional. (Texto tomado de la fuente)
Extracción de elementos de tierras raras a partir de monacita mediante solventes eutécticos profundos y su comparación con solventes orgánicos convencionales
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-11-21) Echeverry Vargas, Luver de Jesús; Ocampo Carmona, Luz Marina; Rojas Reyes, Néstor Ricardo; 0000-0001-7365-4361; Ciencia y Tecnología de Materiales
En esta tesis se obtuvo un concentrado de monacita [fosfato de elementos de tierras raras (ETRs)] a partir de residuos de la minería aluvial de oro, el cual es uno de los minerales más críticos del mundo, por ser fuente de ETRs. Los ETRs son de gran importancia en el desarrollo de materiales tecnológicos. En esta tesis, el concentrado de monacita fue sometido a un proceso de desfosforación con hidróxido de sodio e hidróxido de potasio. Se investigo diferentes condiciones de lixiviación con HCl y H2SO4, que permitirán la máxima extracción de cerio, lantano y neodimio, se determinó que la mayor extracción de estos elementos se logra con H2SO4. Se estableció que la adición de 10 % (v/v) de H2O2 aumenta la disolución de tierras raras hasta en un 93 %. Los ETRs se pueden recuperar hasta valores de 100 % aproximadamente, mediante precipitación con ácido oxálico. Se investigó la extracción de Ce, La y Nd utilizando D2EHP y Cyanex 572 diluidos en n-heptano como extractantes. En todas las condiciones experimentales evaluadas el D2EHP presentó mejores tasas de extracción de los ETRs. Además, se sintetizaron dieciocho solventes eutécticos profundos (DES) de los cuales ocho presentaron capacidad de extracción de Ce, La y Nd y uno de los DES alcanzó extracciones superiores al 90 % de estos elementos. Para tener un mayor entendimiento de la estructura del DES de mayor extracción y su interacción con una solución acuosa acida de lantano, se realizaron una serie de simulaciones de dinámica molecular de los sistemas involucrados y se comprobaron sus propiedades estructurales calculando las funciones de distribución radial de las interacciones principales. (tomado de la fuente)
On the structure of the lower crust to mantle transition beneath an accretionary inherited Andean margin, northwestern Andes
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-08-24) Avellaneda Jiménez, David Santiago; Monsalve Mejía, Gaspar
The crust-mantle transition beneath the northwestern Andes is expected to be complex given its accretionary tectonic history. Considering that research on this matter remains scarce, especially in the Colombian region, this thesis presents new insights into the structure and nature of the crust-mantle transition in several parts of the orogen. Four chapters are presented, discussing: (1) variations in Moho depth along the orogen using inversion of gravity data; (2) latitudinal heterogeneity and anisotropy in the uppermost mantle beneath the modern arc using Pn and Sn wave speed estimates, and thermo-compositional modeling; (3) the nature of the arc root beneath the modern arc by means of a receiver function analysis; and (4) intra-continental deformation beneath the Eastern Cordillera plateau from a joint inversion of arrival times of local earthquakes and gravity data. Integrated results suggest three main features associated with a thickened crust: along the northwestern foreland region (influenced by the adjacent thickened Eastern Cordillera), along the axis of the Eastern Cordillera (related to its shortening history and magmatic additions), and in the southern part of the modern arc, in the Andes of southern Colombia and northern Ecuador (likely a combined result of mafic addition to the base of the crust, foundering tectonics, and lateral displacement of the lower crust). Investigations on the upper mantle beneath the modern arc suggest a well-developed anisotropy, showing a latitudinal dissimilarity in wave speeds and temperature. The northern part (north of 4°N; <75 km wide arc) is seismically slower, and has a higher degree of anisotropy, suggesting warmer conditions. The southern part (south of 2°N; >120 km wide arc) is faster, less anisotropic, and consistent with a colder state. Beneath the volcanic gap region (2°-4°N), seismic speeds are similar to those in the north, yet a colder thermal state is suggested. The controlling factor of the anisotropy is the preferred orientation of olivine and pyroxene. Latitudinal anisotropy and temperature dissimilarities are likely influenced by the Caldas tear to the north, prompting hot mantle influx, and the Carnegie ridge interaction to the south, prompting shallower subduction. Additional investigations on the arc domain, using the teleseismic receiver function technique, which looks for P to S phase conversions, indicate that the crustal root beneath the arc is characterized by high velocities and a latitudinally variable thickness, which coupled with documented xenoliths supports an arclogite nature. This high-velocity and high-density arc root suggest an offset between the seismic Moho and the crust-mantle boundary of around 8.5-14 km. Finally, beneath the Eastern Cordillera plateau, a well-imaged anomaly is identified at depths of 40-60 km beneath the western flank of the plateau, at a latitude of ~5.7°N. The slow velocity anomaly is interpreted as crustal materials eastwardly underthrusting beneath the western flank. This process is thought to be prompting the abrupt change in topography between the adjacent low-elevated basin and the orogenic plateau. This thesis shows how the crust-mantle transition along the northwestern Andes follows the idea that a heterogenous Moho vicinity is the rule rather than the exception for Andean-type orogens.
Forearc basin evolution in response to a changing subduction system: Neogene to Recent geological record of the northwestern Colombian Andes
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) León Vasco, Santiago; Monsalve Mejía, Gaspar
The growth of accretionary orogens, such as the northern Andes, involves both subduction-related tectonics and the collision of exotic terranes, including oceanic plateaus and island arcs. These contrasting tectonic regimes control the spatiotemporal evolution of deformational patterns and topography, whose signal is preserved in the tectonostratigraphic record of marginal basins, which is particularly true for forearc systems. This work presents a detailed geochronological and compositional characterization of Cretaceous magmatic rocks and Neogene strata of the northern Colombian forearc basin (Atrato Basin), which record the long-term evolution of the northwesternmost Andean region, since the early interactions with the Caribbean plate to the most recent shallow subduction of the Nazca plate. New petrochronological data from the Cupica and Tribugá gulfs allowed the recognition of a previously undocumented Upper-Cretaceous arc-related magmatic unit, which likely represents the earliest activity of the intra-oceanic Central American arc and the coeval island arc nowadays exposed along the north-Andean Western Cordillera. The collision of the latter and its plateau-like basement caused a major topographic uplift of the Colombian Central Cordillera during the Late Cretaceous-Paleocene, as suggested by new paleoelevation estimations presented in this work. Such collisional episode marked the early constitution of the northwestern Colombian forearc, whose evolution was subsequently controlled by the Neogene transition from the collision of the Central American arc and the subduction of the Nazca plate. A comprehensive tectonostratigraphic analysis of the Neogene infill of the Atrato Basin allowed identifying three main tectonic phases, which drove changes in the configuration of source areas and the depositional settings. First, the collision of the Central American arc against northwestern South America was recorded by the accumulation in a tectonically active back-arc basin of Oligocene-middle Miocene deep-marine strata sourced by both colliding domains. The advance of the collision triggered basin inversion and shallowing of accumulation depths during the middle Miocene, as well as accelerated erosional exhumation of the continental paleomargin and increased siliciclastic input to suture-related and the colliding back-arc basin. Second, the transition from collision to the subduction of the Nazca plate during the middle-late Miocene caused the formation of a post-collisional arc in northwestern Colombia, as well as the initial topographic uplift of the newly established forearc basin (former allochthonous back-arc) nearby the suture zone. This was accompanied by a major shallowing of accumulation depths and a dramatic change in the detrital signal of forearc deposits, which were isolated from continental source areas (i.e. Western Cordillera) by newly uplifted ranges. Finally, the late Miocene flattening of the subducting Nazca slab beneath northern Colombia caused widespread deformation that drove the uplift of the outer forearc high, represented by the coastal Baudó Range, and the establishment of the modern physiographic configuration. This episode led to the fragmentation of the forearc basin into an outer (coastal) and inner (inland) segments and strong reworking of older strata, as suggested by the provenance of late Miocene to Pliocene rocks accumulated in high-energy fluvial environments. The pulsated nature of Miocene mountain building along the northwesternmost Andean forearc, as a consequence of interspersed collisional and subduction-related tectonics, seemingly played a major role in the biogeographic evolution of the region and the constitution of the modern extremely humid tropical rainforest that hosts a biodiversity hotspot. This work allowed proving how valuable the tectonostratigraphic record of forearc basins and the surrounding mountain ranges is to disentangle the effects of a changing subduction system on the upper-plate landscape evolution, which, as demonstrated in this work, could be successfully studied through a combination of petrochronological, stratigraphic and structural analyses
Desarrollo de un scaffold para regeneración ósea mediante impresión 3D de una pasta cerámica compuesta de una mezcla de fosfatos de calcio y biovidrio.
(Universidad Nacional de Colombia, 2021-08-17) Jaramillo Gómez, Natalia Isabel ; Paucar Álvarez, Carlos Guillermo (Thesis advisor); Cerámicos y Vítreos
La enfermedades, lesiones y traumatismos pueden provocar degeneración y daños irreversibles en los tejidos del cuerpo humano, lo que hace necesario recurrir a tratamientos y/o procedimientos que faciliten su reparación, reemplazo o regeneración, en especial los trastornos óseos que van aumentando con la edad de la población. Los procedimientos realizados a nivel mundial se fundamentan principalmente en recuperar la pérdida de tejido óseo o reparar su funcionalidad mediante inclusión de materiales que suplan la función original. Los más utilizados han sido los injertos óseos para tratar las fracturas, reemplazar o regenerar el tejido óseo dañado, así como el uso de biomateriales, los cuales poseen propiedades biomecánicas, bioactividad y capacidad de reabsorción atractivas. Los sustitutos óseos requieren del conocimiento del ambiente donde ocurrirá el reemplazo. Sin embargo, la evolución de éstos ha dado lugar a cambios en los requisitos y propiedades de los materiales a utilizar. Aun cuando los scaffolds para regeneración ósea han sido ampliamente estudiados, aún quedan inconvenientes por superar tales como la correcta combinación de sus propiedades mecánicas, velocidad de degradación, porosidad, biocompatibilidad, biodegradabilidad, osteoconductividad e integración funcional al hueso. Con el ánimo de proveer una alternativa diferente a los implantes óseos ya existentes, en el presente trabajo se muestra la síntesis del fosfato de calcio (β-TCP) y posterior con inclusión de iones de Mg (con el fin de observar su efecto bacteriostático) y un biovidrio de boro (BGB) dentro del sistema X B2O3 [100-X] (61SiO2 • 9 P2O5 • 30CaO) controlando las variables físico-químicas que influyen en la estructura obtenida. Para la síntesis de estos materiales se exploraron diferentes técnicas como: auto combustión o combustión en solución, fusión, hidrotermal y sol gel, de estos métodos fue escogido el que presentó un mejor resultado en cuanto a degradabilidad, obtención del material cerámico y vítreo apto para la producción del scaffold. La pasta cerámica para la conformación del scaffold por manufactura aditiva (Impresión 3D) fue formulada basados en el diseño de experimentos (DOE). La caracterización de los polvos cerámicos, la pasta cerámica y los scaffolds fue realizada estructuralmente por difracción de rayos X (DRX), morfología, porosidad e interconectividad de los poros por microscopía electrónica de barrido (SEM), tamaño de partícula por distribución de tamaño de partícula, espectroscopia infrarroja (FTIR), degradabilidad (norma ISO 10993-14), en especial para los scaffolds la bioactividad in vitro mediante pruebas de inmersión en SBF dispuestas por Kokubo en diferentes intervalos de tiempo. Los scaffolds fueron caracterizados de manera biológica con el fin de evaluar la capacidad del material para interactuar con células madre mesenquimales provenientes de tejido adiposo y pulpa dental con posterior diferenciación osteogénica. También fueron evaluados el comportamiento de este frente a bacterias comunes presentes en el cuerpo humano principalmente en la cavidad bucal. (Tomado de la fuente)
Evaluación de la fenomenología que determina la susceptibilidad de arcillas de bajo grado para ser activadas como material cementante suplementario
(Universidad Nacional de Colombia, 2021-06-10) Vásquez Torres, Oscar Oswaldo; Tobón, Jorge Iván; Grupo del Cemento y Materiales de Construcción
A lo largo de la historia, el cemento ha sido el principal material de construcción empleado por la humanidad. Existen evidencias en Serbia (año 5600 a. de C.) de edificaciones hechas con mezclas de arcillas y material volcánico. Al pasar el tiempo, griegos, romanos, ingleses, desarrollaron métodos y tecnologías de manufactura para la obtención de materiales cementantes. Junto con la revolución industrial, en el año 1890 aparecen los hornos rotatorios los cuales extendieron su empleo en todo tipo de aplicaciones, usando como materias primas la caliza y la arcilla, con las cuales se hace el Clinker, que junto con el yeso y demás adiciones constituyen el cemento. El combustible utilizado mayoritariamente es el carbón. Debido a que una de las problemáticas mundiales durante la manufactura del cemento es la emisión de grandes cantidades de CO2 a la atmósfera, se han implementado alternativas como la reducción de la demanda de caliza, la optimización del consumo calórico en los hornos, la reducción de combustibles fósiles y su remplazo por combustibles alternativos y la disminución de la relación de la cantidad de clinker en el cemento o del cemento en el concreto a través de la inclusión de Materiales Cementantes Suplementarios (SCM) o adiciones inertes, procurando que la huella de carbono sea la mínima posible. Por tal razón, el mundo de la construcción se ha volcado hacia la prospección, investigación y la innovación de los SCM. Ante la disminución de la oferta de residuos y de subproductos como las escorias de alto horno, cenizas volantes, las grandes distancias entre el yacimiento de puzolanas naturales y los centros de producción y consumo de cemento y concreto, que encarecen el valor de éstas, el alto costo en el mercado del humo de sílice y del metacaolín, se ha incursionado en el estudio de producción de puzolanas artificiales obtenidas mediante la calcinación de arcillas a una temperatura inferior a la que demanda la producción del clinker. Las arcillas son el material más abundante de la naturaleza puesto que toda roca, más allá de su genética y debido a sus procesos de alteración en el tiempo termina convirtiéndose en arcillas. Su oferta geológica es amplia y distribuida extensivamente en el mundo, encontrándose mayoritariamente en zonas tropicales en donde los agentes climáticos y las aguas termales han realizado un trabajo importante de meteorización. Es normal encontrar arcillas con amplia disponibilidad y muy cerca de los centros de producción y de consumo cementera y concretera. Inclusive, la misma arcilla que es empleada en la matriz de la harina de Clinker y que a su vez pueden ser el descapote de las minas, se convierten en focos de interés de calcinación. Lo anterior hace prever que el futuro de los SCM tenga un camino expedito mediante la calcinación de arcillas. Las arcillas tienen en su matriz filosilicatos que al ser intervenidas térmicamente se deshidroxilan y desordenan, lo cual les confiere propiedades como SCM. En este proceso se emite en vez de CO2, agua a la atmósfera convirtiéndolas en objeto de interés fundamentalmente aquellas que son ricas en minerales del grupo de la caolinita. No obstante, las arcillas caolinitas, primero por su origen geológico, se presentan en pocos sitios y no concordantes con los centros de producción de cemento, y luego por su gran atractivo para ser tenidos en cuenta en otras industrias como la farmacéutica, la del papel, pintura, etcétera, hacen que su precio sea elevado y superior al del Clinker en algunas ocasiones; desincentivando su empleo en la matriz cementante. De ahí que los estudios e investigaciones recientes han migrado hacia otro tipo de arcillas como las de bajo contenido de caolinita o multicomponentes en su estructura mineralógica (T-O-T) las cuales son el foco de investigación del presente trabajo (arcillas de bajo grado). Dentro de estos estudios, se destaca el uso de arcillas illíticas derivadas de lutitas como SCM, las cuales han obtenido buenas resistencias mecánicas de hasta 48 MPa siendo activadas a temperaturas entre 900 – 1000 °C pero que, hasta el momento, no es claro las variables o parámetros que determinan el potencial puzolánico de las arcillas de bajo grado como SCM. Las arcillas de bajo grado son definidas en este estudio como aquéllas que en su composición mineralógica presentan dos o tres minerales arcillosos diferentes a las de la caolinita, que su caolín equivalente presenta un rango amplio entre 0 % y 55 %. Bajo la hipótesis de esta investigación sobre la posibilidad de identificar el conjunto de variables y su relacionamiento que reflejen desde la génesis geológica de las arcillas (código genético), la susceptibilidad a la activación térmica obteniendo resultados y desempeños satisfactorios al ser empleado como SCM y que se exploraren índices o módulos que predigan la reactividad de las arcillas calcinadas; se efectuaron los siguientes estudios: - Genética del material: para esto se realizó el análisis de la información de recorridos de campo (exploraciones superficiales), perforaciones con recuperación de núcleo hasta profundidades de más de 60 m hasta alcanzar la roca fresca, climatología, geofísica (tomografías), geomorfológica, hidrogeología, hidrología, geotecnia y petrografías mediante secciones delgadas. Se siguieron protocolos internacionalmente aceptados con el fin de garantizar la confiabilidad de la recolección de muestras y la representatividad de estas. Se construyeron modelos geológicos, apoyados en herramientas geoestadísticas con la transformación de bases informativas químicas, mineralógicas, estructurales, morfológicas y de desempeño puzolánico. - Estructura del material sin calcinar: Con muestras representativas del yacimiento se realizaron ensayos para conocer su composición química, estructura mineralógica, y propiedades eléctricas, usando técnicas como FRX, DRX, RMN, FTIR, entre otras. - Intervención térmica a diferentes temperaturas (basado en diseño de experimentos) desde 200 °C hasta 1100 °C en atmósferas controladas oxidantes y reductoras, agregando carbón en concentraciones de 0 %, 1.5 % y 3 %. - Estructura del material calcinado: A las muestras calcinadas se les realizaron ensayos químicos, mineralógicos, eléctricos, térmico para evaluar la eficiencia y eficacia de la activación térmica: Además, se formularon y se hicieron morteros con las distintas arcillas calcinadas, sensibilizando su desempeño y evaluándolo con ensayos de resistencia a compresión, fijación de cal, Frattini, calorimetrías, índices de actividad resistente (IAP), conductimetrías electrolíticas y cambio de color. - Con los datos resultantes de los ensayos se construyó una gran data experimental. Una data con valores de muestras de arcillas crudas y otra con las calcinadas a diferentes temperaturas y atmósferas de calcinación. El tratamiento de la data se realizó apoyándose en herramientas modernas de analítica de datos: analítica descriptiva, explicativa y predictiva, como Machine Learning, Random Forest, regresiones con análisis de componentes principales, etcétera. Los resultados de la presente investigación muestran que es posible encontrar relaciones entre la influencia climatológica y la génesis del yacimiento, la exposición de la roca fresca a eventos externos, su fracturación, su foliación y la derivación arcillosa y su comportamiento cementante y desempeño puzolánico. Por otro lado, como las arcillas son derivadas de todo tipo de rocas, en este trabajo se estudiaron las arcillas derivadas de rocas metamórficas, las cuales no se evidencian estudios a profundidad como SCM , con el objetivo de realizar un acercamiento fenomenológico para así identificar patrones litológicos, mineralógicos, y de horizonte de meteorización para luego asociarlos con su desempeño puzolánico, al ser intervenidas térmicamente. Las arcillas presentaron contenidos de óxido de silicio mayores a 40 %, óxido de aluminio entre 12 – 25 % y óxidos de hierro entre 5 - 25 %. Además, de acuerdo con los análisis DRXs (bulk y orientados) desarrollados bajo protocolos de la USGS, se encontraron diversos minerales arcillosos y no arcillosos, como oxi-hidroxilos de hierro y aluminio, goethita alumínica, gibbsita, caolinita, cloritas, micas illíticas, moscovitas, cuarzos y feldespatos. Las arcillas fueron agrupadas, en función de su derivación geológica-litológica (orthoanfibolita, paragneis, tonalita y caolín), de los horizontes de meteorización (clasificación de Dearman (1974)) y de las estructuras mineralógicas (relaciones entre el contenido caolinita/contenido mica illitica). Finalmente, los resultados de esta investigación permiten afirmar que: - La oferta geológica de arcillas en Colombia en su región central es alta con profundidades de hasta 60 m, en donde los horizontes VI y V son los que muestran mejores desempeños puzolánicos cuando son calcinados. Lo que quiere decir que la reactividad puzolánica de estas arcillas disminuye con la profundidad. - No solamente las arcillas con contenidos de caolinita mayores al 40 % pueden ser empleadas satisfactoriamente como adiciones activas o como SCM. Las arcillas multicomponentes de bajo grado y con altos contenidos de cuarzo (> 25 %) y óxido de silicio (> 45 %), son susceptibles de ser activadas térmicamente como SCM. - Las temperaturas de calcinación influyen negativamente en la reactividad en la medida que éstas estén por fuera de ciertos rangos, dependiendo el tipo de arcilla se identificaron rangos óptimos de temperatura de calcinación que favorecen la reactividad. - El color es afectado por ambientes oxidantes de calcinación además de que el carbón puede llegar a ser un buen reductor del hierro y atenuador del color rojizo, aunque con ello se afecte la reactividad de la arcilla calcinada. - La analítica de datos permite el entendimiento y la explicación de los fenómenos; además de la predicción del desempeño de las arcillas a partir de su código genético (génesis) y de las variables de susceptibilidad como temperatura, atmósfera de calcinación y tipo de activación (mecánica, térmica, combinada o de otro tipo). Con esto, no sería necesario hacer evaluaciones a posteriori a través de protocolos que duren hasta 28 días para conocer su factibilidad como SCM. Por otro lado, estas herramientas permiten evaluar los fenómenos por medio de alternativas estadísticas modernas como el Machine Learning o los Random Forest, ajustándose matemática y físicamente mejor a la situación estudiada, diferenciándose claramente de las herramientas clásicas estadísticas, en donde se llegan a ecuaciones por medio de regresiones ajustadas a modelos lineales, lo cual no es preciso debido a que el comportamiento de la reactividad de la arcilla ha mostrado tener un comportamiento aleatorio. Se muestra entonces que, con árboles de decisión, es posible encontrar protocolos para la evaluación y predicción del desempeño de una arcilla calcinada . - Es posible modelar depósitos mineros, basándose en variables; de caracterización geológica, de temperaturas y ambientes de calcinación, prediciendo su desempeño combinando técnicas geoestadísticas con herramientas de Machine Learning. - Igualmente, es factible encontrar variables de mayor peso que impulsan el fenómeno, más allá del contenido de caolinita, como, por ejemplo, el área superficial, la coordinación de elementos como el Al y Si (identificando a través de FTIR), la resistividad, o algunas variables químicas como el óxido de titanio y de este modo encontrar hipótesis adicionales en función de ello para comprobar y así elaborar teorías. Además, se pueden llegar a explicar el fenómeno a través de módulos obtenidos con relaciones entre variables, como por ejemplo el módulo de equivalente alcalino, módulo de sulfatos, entre otros . - Con arcillas multicomponentes (T-O-T) de bajo grado calcinadas a 750 °C se hicieron morteros con desempeños satisfactorios: se obtuvieron valores de IAP a 28 días entre el 80 y 100 % que sumados a los resultados de ensayos Frattini, de calorimetría, de fijación de cal, demuestran su potencial para ser empleadas como SCM. Igualmente se encontraron arcillas que al ser calcinadas a 350 °C ya pueden ofrecer IAP atractivos. - Existe una activación mecánica de la arcilla (ha ganado un grado de reactividad) cuando es sometida a procesos de conminución. Esto debe tenerse presente en la preparación del material para análisis de laboratorio que incluya disminución del tamaño de partícula. - Se pueden encontrar arcillas “in situ” con actividad puzolánica que, con buenas prospecciones y criterios de exploraciones geológicas se pueden identificar y ser empleados como adición activa (SCM). Que unido al punto anterior, también es posible emplear la conminución de arcillas como agente activador mecánico sin ser sometidos a procesos de demanda calórica. Así, esta tesis realiza una contribución significativa en la comprensión del fenómeno de calcinación de arcillas multicomponentes (T-O-T) de bajo grado, aportando al conocimiento y generando herramientas conceptuales y prácticas para futuras investigaciones. (Tomado de la fuente)
Dynamics of confined liquid crystals
(2020-09-07) Villada Gil, Stiven; Hernández Ortiz, Juan Pablo
Thermotropic nematic liquid crystals in contact with surfaces at the nanoscale were studied by means of beyond equilibrium thermodynamics and computational simulations. In particular, nanoparticles of different geometries suspended in nematic liquid crystals were studied. For this purpose, biaxial systems, thermal fluctuations, confi nement effects and hydrodynamic fields were taken into account. The purpose was to elucidate the physical mechanisms of by which liquid crystals organize when they are in contact with surfaces, construct phase diagrams, and analyze how fluctuations affect the stability of the isotropic phase as well as the uniaxial and biaxial nematic; also we focused on describing the formation and evolution of the topological defects that are generated around nanoparticles and on the understanding of the role of hydrodynamics in the self-assembly of colloids in nematics.
Gradual failure of high-performance hybrid composites: tensile and bending behaviour
(2020-12-14) Idarraga Alarcon, Guillermo Andres; Meza Meza, Juan Manuel; Jalalvand, Meisam
Los compuestos reforzados con fibra se utilizan cada vez más para estructuras primarias, ya que proporcionan un ahorro de peso significativo al tiempo que mantienen el mayor desempeño estructural, mejorando la eficiencia en combustible y reduciendo los costos de mantenimiento. Desafortunadamente, la alta rigidez y resistencia de los materiales compuestos se obtiene a expensas de su limitada tenacidad. El fallo de los compuestos suele ser repentino y catastrófico. Para garantizar operaciones seguras, se aplican factores de seguridad mucho mayores para los compuestos que para los materiales dúctiles como los metales. Esta condición produce estructuras sobrediseñadas, reduciendo los beneficios de peso. Estas graves limitaciones no solo impiden que los ingenieros y operadores aprovechen las ventajas de rendimiento de los compuestos, sino que los hacen inadecuados para muchas aplicaciones en las que las condiciones de carga no son completamente predecibles y no se pueden tolerar fallas catastróficas. Lograr una falla gradual en los materiales compuestos puede ayudar a las estructuras a mantener la funcionalidad incluso cuando están sobrecargadas, aumentando el alcance de las aplicaciones de los compuestos en estructuras críticas en industrias como la aeroespacial y la automotriz. El objetivo de esta tesis es explorar el fallo gradual de los compuestos híbridos bajo tensión y flexión, combinando análisis experimental y numérico. Este trabajo presenta nuevas arquitecturas compuestas que utilizan preimpregnados de carbono-epoxi de capas delgadas y preimpregnados de vidrio-epoxi tipo S de espesor de capa estándar. Todos los laminados se consolidan en autoclave y se prueban en una máquina de prueba servo-hidráulica universal controlada por computadora. Para los ensayos de tracción, se proponen laminados multidireccionales, analizando el efecto híbrido cuando se modifica la secuencia de apilamiento. El efecto híbrido se define en esta tesis como la mejora en la deformación en caso de rotura de las fibras de carbono en un compuesto híbrido en comparación con un compuesto de carbono puro. Por otro lado, para los ensayos de flexión, se propone una nueva metodología y dos novedosos laminados asimétricos unidireccionales para lograr un fallo gradual al promover el inicio del fallo en tracción y evitar un fallo catastrófico en compresión. Con este trabajo se logra una falla gradual para configuraciones híbridas tanto en tensión como en flexión. La falla se caracteriza por la degradación progresiva de las capas delgadas de carbono por múltiples grietas (fragmentación) y delaminación local. Para las pruebas de tracción, las capas de vidrio de espesor estándar fallan repentinamente después de una mayor reducción de la resistencia de las capas de carbono por fragmentación. Se investigó la variación en el efecto híbrido en la etapa más temprana del daño, analizando una sola grieta en una de las capas de carbono 0 °. La distribución de deformaciones no uniforme a través del espesor producido por la fisura se ve afectada por la secuencia de apilamiento, aumentando o disminuyendo la concentración de deformaciones en las capas no dañadas y cambiando el efecto híbrido. Se propusieron correlaciones entre el efecto híbrido y la rigidez de la capa adyacente. Por otro lado, para los ensayos de flexión se evitan fallas catastróficas y se logran altos valores de desplazamiento por flexión. El fallo gradual capa por capa de las capas superficiales en el lado de tracción produce una apariencia similar a un cepillo. Las observaciones microscópicas de las pruebas interrumpidas verificaron la fragmentación seguida de delaminación local en el lado de tracción de la viga. Grietas a un ángulo entre ± 45 ° y ± 60 ° con respecto a la dirección de la fibra se identificaron como mecanismo de falla único en compresión. El análisis numérico fue crucial para comprender la secuencia de fallas y el mecanismo de daño en las configuraciones híbridas.
Modelo de gestión integral de la sostenibilidad para la industria minera en Colombia
(2019-04-23) Aristizábal Hernández, Gustavo Adolfo; Restrepo Baena, Oscar Jaime; Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín; Instituto de Minerales CIMEX
Throughout history mining has provided humanity raw material for the manufacture of essential elements for daily life. However, this activity has also been the source of intense debates, which have also encouraged knowledge development. Hence, models and tools have been formulated to improve the impacts of extractive projects, as well as strategies to make mining a driver of sustainable development. The purpose of this thesis is to propose a management model that work as a guide to identify the main aspects that should be considered to asses and drive sustainability in mining projects. The elements of this model resulted from a review of mining in the context of sustainable development as well as from an analysis of sustainability practice in some of the most important mining projects in Colombia. The conceptual sieving method is a product of this thesis. It was applied to sustainability activities of mining projects selected. It was found that the greatest efforts are focused on environmental issues as well as human capital in the area of influence. Additionally, a lower intensity in infrastructure and social capital strengthening was also found. Consequently, although there is a significant contribution to improve the inhabitants labor skills, there is not a help in the same extent to increase their capabilities to joint work.
Catalytic properties of transition metal carbides for CO2 reduction and hydrogen evolution reaction.
(Universidad Nacional de Colombia, 2019-12-13) Koverga, Andrii; Flórez Yepes, Elizabeth; Dorkis, Ludovic; GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN CATÁLISIS Y NANOMATERIALES
Renewable energy conversion and storage plays an important role in global efforts to mitigate the effects of anthropogenic climate change. In particular, the catalytic reduction of carbon dioxide to fuels and other important chemicals is a very active area of modern chemistry, together with the search for energetically efficient routes for hydrogen production. All these catalytic processes occur mainly on the surface of the catalysts and, therefore, a deep and detailed understanding of the structure and molecular processes that take place on the surface constitutes an essential step for the efficient design and development of new catalytically active materials for these purposes. Therefore, in this thesis, the catalytic properties towards the reduction of carbon dioxide (CO2RR) and the hydrogen evolution reaction (HER) of tungsten and molybdenum carbides were studied. Today, the catalytic properties of this family of materials is a very promising research topic. They are of an extreme interest for development of the new economic and highly catalytic materials towards these reactions, in order to replace the traditional catalysts based on noble metals, in an effort to make economically viable many different technologies available for energy production and storage. Two different approaches were used in this thesis. Theoretical methods based on the functional density theory (DFT) were used to estimate adsorption and activation energy of different initial and intermediate species during HER and CO2RR, on hexagonal and cubic phases of tungsten carbide. The catalytic properties of these materials towards these reactions has been mainly studied experimentally, and detailed theoretical studies would allow a better understanding of the factors that control their catalytic activity. In contrast, experimental methods were used to study the catalytic activity of molybdenum carbide, mainly for two reasons. On the one hand, some works have reported a greater catalytic activity towards the HER for some phases of molybdenum carbides, compared to that of tungsten carbides. On the other hand, at the moment a significant number of theoretical studies on the catalytic activity of these materials for HER and CO2 reduction are available already. Initially, the interaction of the tungsten carbide model surfaces with CO, CO2, H and H2 was examined by DFT and the obtained results were analyzed, considering different chemical nature of the surface. Thus, surfaces of the hexagonal phase with exposed carbon atoms and tungsten atoms, or mixed atom cubic phase surfaces were studied. Subsequently, the study was extended to theoretical estimation of the catalytic activity towards the reduction of CO2 and the HER of systems composed of copper supported on hexagonal tungsten carbide. It is well known that the modification of the electronic and chemical properties of a given material can be achieved effectively by introducing another element into its network, either by the formation of heteroatomic bonds ("ligand effect") or by the change in the average length of the atom- V atom bond (“strain effect”). Therefore, an experimental investigation of the changes in activity for the hydrogen evolution reaction was carried out by doping molybdenum carbide with other transition metals in slightly acidic and alkaline media. The results show a strong adsorption of atomic hydrogen on the clean surface of the WC, while H2 is mainly adsorbed dissociatively. An important role of the C sites is revealed for atomic H adsorption and for the H-H bond cleavage. Similarly, the interaction of tungsten carbide with CO and CO2 demonstrates the importance of sites terminated in carbon atoms as one of the reasons for different reactivity of a C- and W-terminated (0001) hexagonal WC surfaces. The importance of exposed C sites can also be seen, analyzing the system in which copper atom is supported on tungsten carbide: the Cu particle supported on the surface of the WC with exposed carbon atoms yields charge, while on the metallic termination a reduction of copper has been observed, or, in other words, Cu atoms gained charge from the support. These differences in the charge of the adsorbed Cu on the carbide, result in the changes in the catalytic activity of the composite material. For example, CO adsorption on all Cu / WC surfaces is very strong for Cu coverage smaller than the monolayer, which could result in catalyst deactivation. However, this effect is smaller for systems in which a complete Cu monolayer is supported, and which do not suffer from the contribution of the strong CO adsorption on the support. In contrast, CO2 adsorption is weaker in systems with a copper monolayer supported on C-terminated WC (0001), compared to adsorption on Cu monolayer, supported on metal-terminated tungsten carbide, although the dissociation barriers are similar in case of the two terminations. Due to these differences in reactivity between systems with coverages smaller than monolayer and systems with monolayer, it is concluded that the CuML/C-WC surface would be a better catalyst for CO2 reduction, due to the lower degree of poisoning of the surface by the products of CO2 dissociation. This difference in reactivity could be used as an important criterion in the synthesis of new composite materials based on tungsten carbides. The results obtained in relation to the adsorption of atomic hydrogen, Hads, demonstrate a strong adsorption of atomic hydrogen on all Cu / WC surfaces, although the exact magnitude of this adsorption varies with the termination of the support. A detailed analysis of these data, within the conceptual framework currently accepted by the scientific community to describe the reactivity of the materials towards the HER, suggests that little catalytic activity is expected towards this reaction of the materials composed of copper monolayer and sub-monolayer, supported on carbon-terminated WC surface, while in the case of composite materials comprised of copper monolayer supported on the metal-terminated WC (0001) surface, the reactivity is likely to be much higher. Finally, the experimental study conducted on molybdenum carbide modified with other transition metals showed that pH has a significant influence on how the doping affects the reactivity VI of the final material. At pH = 5 doping has a slightly detrimental effect on the activity towards HER, while at pH = 9, a favorable effect was observed. On the other hand, a common result for all synthesized materials, in both alkaline and acidic media, was the noticeable drop in activity towards the HER of all materials after they were electrochemically oxidized using high positive potentials. This result is solid evidence that the measured catalytic activity must be attributed to the presence of molybdenum carbide in the synthetized compounds , and not to the existence of surface oxides of transition metals on the electrode. Finally, it is important to highlight that, in general, the results, reported in this thesis, show not only that transition metal carbides exhibit catalytic activity for essential reactions such as HER and carbon dioxide reduction, but also that their properties they can be modified, by introducing other transition metals in the carbide structure, for the development of materials, catalytically more active than the initial material. (Tomado de la fuente)
Comportamiento mecánico de la piel en función del espesor de las capas que la componen
(2020) Isaza López, Jesica Andrea; Ramirez Patiño, Juan Fernando; Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín; Grupo de Investigación en Biomecánica e Ingeniería de Rehabilitación (GIBIR)
Identification of the mechanical behavior of the skin is important in the clinical, cosmetic, ergonomic, and others fields. The wide range of properties reported in the literature limits the identification of constitutive equations that should be applied in complex numerical models or for the identification of disease progress or treatment efficacy. Being a multilayer material, the behavior of the skin, depends on the thickness of its layers and the properties of each of them. Initially, the most appropriate technique for the measurement of the layers is identified, between biopsy, OCT, US, MRI and CLSM. The measurement of the main layers (cutis and hypodermis) is reliably measured by MRI for 32 patients between 18 and 54 years old. The percentage of the cutis corresponding to the epidermis (6%) is established by comparison with histological images. MRI images are taken under indentation conditions to measure the deformation of the layers. Additionally, an indentation system was developed to obtain the force vs. displacement curves for 24 patients. Finally, computational models (monolayer and multilayer) are developed with reconstructed MRI geometry, the properties of the skin are optimized by comparing experimental and computational curves. Neo Hookean and Ogden properties were found using iFEM, which define the multilayer tissue. In conclusion, a regression analysis allows to predict the mechanical behavior of the multilayer tissue (skin) from the thickness and mechanical properties of the layers. Additioonaly, the constitive equation coefficients for Ogden model can be predicted by some population and experimental parameters, which allow the equation to be used in subsequent numerical models.
Hot corrosion resistance of dense Ceria-Yttria Stabilized Zirconia/Yttria stabilized Zirconia Bilayer coatings deposited by atmospheric plasma spray
(2020-03-12) De la Roche-Yepes, Jhonattan; Toro, Alejandro; Alvarado-Orozco, Juan Manuel; Universidad Nacional de Colombia; Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín; Grupo de Tribología y Superficies
Hot Corrosion Resistance of Dense Ceria-Yttria Stabilized Zirconia/Yttria Stabilized Zirconia Bilayer Coatings Deposited by Atmospheric Plasma Spray. In this work, the hot corrosion (HC) resistance in thermal barrier coatings (TBC) of dense Ceria-Yttria Stabilized Zirconia (D-CYSZ)/ Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) deposited using atmospheric plasma spray technique on Inconel 625 substrates was evaluated, varying the layer thickness of CYSZ (0, 50, 100 and 150 um) maintaining a total coating system thickness of 300 um. Initially, HC tests were carried out on 7YSZ commercial powders (Metco 204 NS-G) in order to find proper conditions for HC on the deposited coatings. It was found that the mixture of 32 wt.% Na2SO4 + 68 wt.% V2O5, 1 wt.% salt concentration and 900°C are the most aggressive conditions for HC of YSZ. Microstructural characterization of the bilayer systems D-CYSZ/YSZ was carried out. D-CYSZ layer presented a DVC type microstructure (Dense Vertically Cracked) with a crack density of 4.32, 3.87 and 3.19 cracks/mm for the layer thicknesses of 50, 100 and 150 um respectively. YSZ layers presented a porosity of 16% with large, medium and small globular porosity, as well as inter- and intra-splat cracks. Thermal shock resistance test of the bilayer systems was carried out, showing delamination of the D-CYSZ layer after 359 cycles. However, all the bilayer systems tested exceeded the 600 cycles without presenting delamination of the system at the BC/TC interface above 20%, preserving the thermal protection of the substrate after these cycles. Finally, HC test showed that although the dense layers presented vertical cracks, they gave the projection against molten salt attack, since the YSZ system (without D-CYSZ) presented severe changes in its microstructure under the HC test parameters found in the work (HCstandard). In addition, under most aggressive conditions (varying concentration and cycles) D-CYSZ layer acted as a barrier and protect the subsequent layers, since YSZ system showed delamination and higher cohesive weakness than the systems with D-CYSZ layer.
Hot corrosion resistance of dense Ceria-Yttria Stabilized Zirconia/Yttria Stabilized Zirconia (CYSZ/YSZ) Bilayer Coatings deposited by atmospheric plasma spray
(Universidad Nacional de Colombia, 2020-03-12) De la Roche Yepes, Jhonattan; Toro, Alejandro; Albarado Orozco, Juan Manuel; Grupo de Tribología y Superficies
En este trabajo, se evaluó la resistencia a la corrosión en caliente (HC) en recubrimientos barrera térmica (TBC) de circonia estabilizada con ceria e itria densa (D-CYSZ)/circonia estabilizada con itria (YSZ) depositadas con la técnica de aspersión térmica por plasma atmosférico (APS) sobre sustratos de Inconel 625, variando el espesor de capa de D-CYSZ (0, 50, 100 y 150 um) manteniendo un espesor total del sistema de 300 um. Inicialmente, se realizó pruebas HC en polvos comerciales de 7YSZ (Metco 204 NS-G) con el fin de hallar las condiciones para las pruebas en los recubrimientos. Se encontró que la mezcla 0.32 wt.% Na2SO4 + 0.68 wt.% V2O5, 1 wt.% de concentración de sal y 900°C son las condiciones más agresivas para pruebas HC en YSZ. Se realizó la caracterización microestructural de los sistemas bicapa D-CYSZ/YSZ. La capa de D-CYSZ presentó una microestructura tipo DVC (Dense Vertically Cracked) con densidad de grietas de 4.32, 3.87 y 3.19 grietas/mm para las capas de 50, 100 y 150 um respectivamente. Las capas de YSZ presentaron la microestructura típica de un sistema TBC, con una porosidad del 16% con poros globulares de gran, mediano y pequeño tamaño, así como grietas inter e intra splat. Se evaluó la resistencia termo-mecánica de los sistemas bicapa, donde presentaron desprendimiento de la capa de D-CYSZ a partir del ciclo 359. Sin embargo, todos los sistemas TBC evaluados superaron los 600 ciclos sin presentar delaminación del recubrimiento en la intercara BC/TC por encima del 20%, preservando la protección del sustrato después de esos ciclos. Finalmente, las pruebas HC mostraton que aunque las capas densas presentaron grietas verticales, estas dieron protección ante el ataque por sales, ya que el sistema YSZ presentó cambios severos en su microestructura bajo las condiciones HC halladas en el trabajo (HC-standard). Además, en condiciones más agresivas (variando la concentración y en ciclos) el sistema YSZ presentó delaminación y mayor debilidad cohesiva que los sistemas con capa D-CYSZ. (Tomado de la fuente)
Análisis del desarrollo y consolidación de la sostenibilidad en un territorio intervenido por proyectos mineros
(2020) Delgado Jiménez, Jeison Alejandro
EEl desarrollo de proyectos mineros y su aporte a la sostenibilidad local son temas actuales de discusión en la academia, la industria minera, los gobiernos y la sociedad. Esta discusión se alimenta en las múltiples transformaciones que se experimentan en los territorios como resultado de un proyecto minero y sus efectos, los cuales no ha logrado responder a las demandas de la sociedad en relación con los beneficios y la sostenibilidad del desarrollo minero. El presente trabajo contiene una propuesta para contribuir a la discusión sobre el desarrollo minero y la sostenibilidad en el territorio. Este trabajo se ha propuesto como objetivo desarrollar un modelo conceptual que permita conocer la consolidación de la sostenibilidad de un territorio intervenido por proyectos mineros en sus diferentes componentes (ambiental-económico-social), mediante la identificación de las relaciones y las transformaciones de los capitales a partir de las herramientas aportadas por la termodinámica. El modelo propuesto integra los modelos de la primera y segunda ley de la termodinámica, el concepto de territorio, las definiciones de la sostenibilidad y las esferas que lo componen, para analizar los aportes del desarrollo de proyectos mineros al territorio intervenido. En este modelo se reconocen las características y la dinámica del negocio minero y las propiedades del medio natural, la economía y la sociedad, los cuales son integrados para sustentar la propuesta presentada en este trabajo. El modelo tiene cuatro componentes. El primer componente es la representación del reactor entorno que permite entender el contexto en el cual se desarrolla el proyecto minero. El segundo componente es la secuencia de la dinámica que representa la naturaleza evolutiva del desarrollo de los proyectos mineros. El tercer componente son las relaciones funcionales, a través de cuatro variables: producción, regulación, información y hábitat, las cuales establecen la conexión dinámica entre el medio natural, la economía y la sociedad. Finalmente, la componente de integración y operatividad del modelo se da mediante una ecuación de balance que relaciona los cambios en el sistema a partir de los cambios en los capitales del sistema y los resultados de las relaciones funcionales. La aplicación del modelo se da mediante tres casos de estudio, en los cuales se ha aplicado el modelo relacional, y se han identificado los mecanismos de transferencia presentes en cada caso.
Evaluación teórica de óxido de fosforeno azul para la adsorción de gases de bajo peso molecular
(2019-07-29) Zuluaga Hernández, Edison Albert
Una posible alternativa para detectar e identificar gases nocivos para la salud humana y el ambiente son las nanoestructuras en 2D. Estas han mostrado propiedades físico-químicas adecuadas para la elaboración de sensores de gases, debido a que generan diferentes respuestas electrónicas por la interacción con moléculas gaseosas, tienen gran estabilidad estructural, pueden tener diferente composición química y poseen alta relación superficie-volumen. El fosforeno azul (BP) es un ejemplo de estos materiales bidimensionaleses. Estudios sobre la capacidad de adsorción de gases del BP, han mostrado la posibilidad de disociación del O 2 , que da origen a enlaces covalentes entre los átomos de fósforo y los oxígenos. Lo anterior podría explicar la oxidación que presenta el fosforeno en condiciones ambientales. Teóricamente se ha mostrado que el óxido de fosforeno azul (BPO), es tan estable como el BP. Dado que los óxidos metálicos son altamente empleados como catalizadores y sensores de gases, el BPO podría ser pensando como un posible sensor de gases. Por lo anterior, en este trabajo se estudiaron las propiedades electrónicas del BPO con el fin de evaluar sus posibilidades como sensor de gases, en particular en la adsorción de gases de bajo peso molecular (CH4, CO2, CO, N2O, SO2 y O2). La investigación se realizó en el marco de la teoría del funcional de la densidad (DFT). La interacción de los gases con el BPO se evaluó en cuatro sitios diferentes sobre la nanoestructura, teniendo en cuenta la orientación de las moléculas. Los resultados obtenidos muestran que se produce una fisisorción para todas las moléculas gaseosas, sin embargo en el caso del átomo de hidrógeno su quimisorción sobre la superficie deforma la estructura del BPO. De los resultados obtenidos se puede destacar que la interacción del BPO con O2 y SO2 presentaron las mayores energías de adsorción. Adicionalmente, el BPO pasa de semiconductor a conductor, dependiendo de la orientación de las moléculas. En contraste, las moléculas que presentaron menor energía de adsorción fueron el CO y CO2 . Estos resultados sugieren que el BPO podría ser un candidato promisorio para el desarrollo de sensores de gases debido a que algunas de las moléculas modificaron las propiedades electrónicas del BPO.

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