Reverse Monte Carlo modeling and Monte Carlo simulations of adsorption processes on zeolites

Resumen

Las zeolitas son materiales porosos, ampliamente utilizados en la indsutria petro- química, formados por redes de canales interconectados entre sí. Existen una gran variedad de zeolitas, tanto presentes en la naturaleza como sintetizadas artificial- mente. De entre todas ellas, nuestro estudio se centra en la zeolita pura sílice MEL porque, pese a ser una zeolita estructuralmente bien caracterizada, sus propiedades de adsorción no han sido suficientemente estudiadas. En la zeolita MFI, estruc- turalmente muy similar a la zeolita MEL, hay evidencias experimentales de que al adsorber diferentes moléculas en sus poros, aparecen uno o varios saltos en las isotermas volumétricas y calorimétricas cuya explicación y origen están lejos de ser conocidos. Con el objetivo de arrojar luz en el asunto, en la presente tesis se han estudiado en profundidad los procesos de adsorción en la zeolita MEL de dos tipos específicos de adsorbatos: átomos de argón y moléculas de tolueno. Para ello, se han combi- nado tanto medidas experimentales de adsorción, difracción de neutrones y rayos X, así como simulaciones computacionales Monte Carlo (MC) y Reverse Monte Carlo (RMC). Primeramente, se han realizado experimentos de adsorción (calorimetría y volu- metría) con la zeolita MEL, comprobando así que los saltos observados en la zeoli- ta MFI también aparecen en las medidas de adsorción en la zeolita MEL. Para proporcionar una explicación microscópica del fenómeno, se han llevado a cabo dos estrategias conjuntas. La primera ha consistido en implementar simulaciones MC en la colectividad macrocanónica, considerando distintos modelos de potencial tanto para el argón como para el tolueno que describan su distribución espacial en los poros de la zeolita. Por otro lado, se han medido los patrones de difracción para la adsorción de ambos adsorbatos con la intención de caracterizar la estructura del sistema antes y después del salto observado en la isoterma experimental. Para poder interpretar estas medidas de difracción, hemos desarrolado una variante del algoritmo RMC, denominado N -RMC, que sortea la dificultad que entraña la baja difusión de ad- sorbatos en medios de alto confinamiento, como el que se da en este tipo de zeolitas . Combinando las medidas de diffración con el nuevo algoritmo de simulación, hemos podido conocer en detalle la estructura de los adsorbatos compatible con los cambios observados en el espectro de difracción. Al utilizar ambas aproximaciones de forma conjunta, hemos podido realizar un estudio comparativo de los resultados obtenidos por medio de ambos métodos com- putacionales, pudiendo detectar pequeños cambios estructurales en la zeolita MEL que justifican, tanto el salto abrupto en la isoterma de adsorción, como la aparición de nuevos picos de diffracción.