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Ingeniería de Cerámicas para Medioambientes Agresivos

Broad objectives:
Development of a new generation of advanced ceramics that can withstand extreme environments, The effective immobilization of the industrial wastes
Specific objectives:
Develop processing routes for silicon carbide-based ceramics to customize its properties aimed to specific application such as resistive elements, high temp./ abrasion resistant parts, medical implants
Specific advantages
Pioneer laboratory at international scale in the development of bioinspired SiC-based ceramics and tailoring of its properties, Strong expertise in the study of mechanical behaviour and microstructure in ceramics and the study of lamellar silicates and functional mesoporous materials, Strong industrial interaction as driving force of the research orientation

Nuevo concepto de caldera de biomasa basada en materiales biocerámicos y combustión porosa para operación eficiente con residuos



Investigador Principal: Joaquín Ramírez Rico
Periodo: 30-12-2016 / 29-12-2019
Organismo Financiador: Ministerio de Economía y Competitividad
Código: MAT2016-76526-R
Componentes: Julián Martínez Fernández, Manuel Jiménez Melendo

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En la Unión Europea se generan anualmente más de cinco toneladas de residuos por personas, siendo aproximadamente el 60% de esta cantidad materia orgánica. La tecnología de las calderas de biomasa actuales no permiten el uso de estos residuos funcionando con altos valores de eficiencia, bajas emisiones y alta fiabilidadad de operación, siendo especialmente relevante en calderas de pequeño tamaño.

El principal objetivo de este proyecto es desarrollar un nuevo concepto de tecnología para calderas de biomasa doméstica capaz de operar con gran variedad de mezclas de biomasas y residuos agrícolas.  Para ello se aprovecharán las sinergias de la integración de investigadores del: i) Grupo Maquinas y Motores Térmicos, GMTS, especialistas en combustión, calderas y máquinas térmicas ii) Grupo Materiales Biomiméticos y Multifuncionales, MBM, especialistas en la obtención de cerámicos porosos bioderivados, así como en caracterización físico-química y microestructural. El proyecto se completa con la colaboración de empresas en la evaluación de la tecnología y su aplicabilidad industrial En la Unión Europea se generan anualmente más de cinco toneladas de residuos por personas, siendo aproximadamente el 60% de esta cantidad materia orgánica. La tecnología de las calderas de biomasa actuales no permiten el uso de estos residuos funcionando con altos valores de eficiencia, bajas emisiones y alta fiabilidadad de operación, siendo especialmente relevante en calderas de pequeño tamaño.

El principal objetivo de este proyecto es desarrollar un nuevo concepto de tecnología para calderas de biomasa doméstica capaz de operar con gran variedad de mezclas de biomasas y residuos agrícolas.  Para ello se aprovecharán las sinergias de la integración de investigadores del: i) Grupo Maquinas y Motores Térmicos, GMTS, especialistas en combustión, calderas y máquinas térmicas ii) Grupo Materiales Biomiméticos y Multifuncionales, MBM, especialistas en la obtención de cerámicos porosos bioderivados, así como en caracterización físico-química y microestructural. El proyecto se completa con la colaboración de empresas en la evaluación de la tecnología y su aplicabilidad industrial

El proyecto se basa en la innovadora integración de material biocerámico microporoso en las cámaras de combustión de calderas de biomasa de modo que actúen con diferentes funciones: combustor microporoso, filtro de partículas y recuperador de calor. Estas funcionalidades  pueden ser simultáneas, en función de la región del flujo en que se encuentren y el rango de temperaturas de esa región. Este material biocerámico es desarrollado a partir de precursores vegetales para obtener elementos de Carburo de Silicio (SiC). Para ello se usan materiales locales sin tratar, produciendo elementos hechos a medida con propiedades microestructurales adecuadas para trabajar con altas temperaturas. Así, productos con geometrias complejas pueden ser obtenidos con relativamente bajo coste comparados con otros materiales con características macánicas y químicas similares. La integración de componentes basados en estos materiales posibilita nuevos diseños de calderas de biomasa con un alto control de la combustión, las temperaturas y la emisión de partículas. El nuevo diseño evita la sinterización y fusión de las cenizas, actuando en la formación y evolución de contaminantes, inhibiendo los mecanismos de producción de dioxinas y activando la completa oxidación del monóxido de carbono (CO) y soots. El nuevo concepto permitirá la operación con una importante varieda de mezclas biomasa/ residuos agrícolas con bajas emisiones aun cuando el combustible pesente un alto contenido de cenizas, resolviendo el principal reto para el desarrollo del uso residuos agrícolas en calderas de biomasa (especialmente las de menor tamaño). El desarrollo de esta tecnología permitirá ampliar los recursos de la Unión Europea para calefacción de uso doméstico. En la actualidad este uso supone un 30% del consumo energético total en la misma. La propuesta incluye el estudio de los procesos básicos de combustión, flujos, fabricación a medida de las matrices de materiales biocerámicos, así como estudio y desarrollo de prototipos de componentes y del sistema final. Estos serán estudiados a nivel de ensayos de laboratorio con residuos agrícolas, forestales y de la industria olivarera.


Tratamiento sostenible de residuos industriales: Materiales adsorbentes de diseño y bionanocomposites en la inmovilization de metales pesados y productos de fision



Investigador Principal: Maria Dolores Alba Carranza
Periodo: 01-01-2016 / 31-12-2018
Organismo Financiador: Ministerio de Economía y Competitividad
Código: MAT2015-63929-R
Componentes: Miguel Angel Castro Arroyo, Ana Carmen Perdigón Aller, María del Mar Orta Cuevas

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El Proyecto de investigación que se presenta aborda la exigencia tecnológica y medioambiental de desarrollar metodologías avanzadas para la eliminación de agentes contaminantes. El interés y los esfuerzos encaminados al desarrollo de nuevas tecnologías orientadas a tratamientos más eficientes en la inmovilización y revalorización de los residuos peligrosos es creciente en los planes de I+D+i. El objetivo central del proyecto se basa en el diseño de una estrategia de funcionalización de silicatos laminares de alta carga expansibles y en la síntesis de bionanocomposites a partir de ellos para conseguir una actividad eficaz respecto de la inmovilización de residuos tóxicos y peligrosos, catiónicos y aniónicos. Este objetivo es un cambio cualitativo en el trabajo que se viene desarrollando en el diseño de sistemas modelos adsorbentes con aplicaciones medioambientales de clara repercusión en la mejora de la calidad de vida de la población y conservación del medioambiente, ya que la funcionalización de diseño de los silicatos sintéticos permitirá la adsorción de un amplio abanico de adsorbentes en estado de oxidación aniónico-catiónico. La finalidad y objetivos del proyecto se centran en la Focus Area WASTE de H2020 y esta Focus Area se desarrolla dentro del reto 2 y 5 de H2020 y dentro del Reto 5 y 3 de los Planes Estatales de Investigación.

El proyecto ha despertado el interés de diversas empresas observadoras, EPOs, (ENRESA  y la Agencia de la Energía y para la Sostenibilidad del Ayuntamiento de Sevilla ) impulsando la colaboración público-privada. Por tanto, la investigación desarrollada auna los principios básicos de la estrategia estatal de Ciencia y Tecnología: Poner la I+D+I al servicio de la ciudadanía, del bienestar social y de un desarrollo sostenible, hacer de la I+D+I un factor de mejora de la competitividad empresarial (transferencia de los resultados al sector privado, ver interes de los EPOs) y reconocer y promover la I+D como un elemento esencial para la generación de nuevos conocimientos de excelencia.

La viabilidad de la propuesta se garantiza porque el equipo de investigación, EI, por un lado, ha desarrollado con éxito la síntesis de silicatos laminares hidratables de alta carga, a través de un método novedoso que permite ajustar la carga deseada para el material, y, por otro, ha conseguido exitosamente su organofuncionalización (patente ES2362597B1). Además, ha desarrollado la metodología necesaria para el correcto progreso de este proyecto, en estrecha colaboración con otros Grupos de investigación internacionales de reconocido prestigio (e.g. CNRS-Universidad de Lille, Universidad de Cambridge...). Además el EI ha demostrado que potencia la agrupación de las capacidades y competencias científico-técnicas esenciales para abordar esta propuesta de marcado caracter transversal.

 


Bases genéticas de la composición y propiedades biofísicas de la cutícula del fruto del tomate. Aprovechamiento de la variabilidad natural



Investigador Principal: Rafael Fernández Muñoz (IHSM)
Periodo: 01-01-2016 / 31-12-2018
Organismo Financiador: Ministerio de Economía y Competitividad
Código: AGL2015-65246-R
Componentes: José Jesús Benítez, Fernando Gallardo Alba (UMA), Antonio Heredia Bayona (IHSM)

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La producción de frutos de gran calidad y valor añadido es uno de los retos importantes de la agricultura. La cutícula que cubre el exterior de las células epidérmicas juega un papel crucial en la calidad del fruto de tomate, concretamente en su apariencia externa (color, brillo, textura, uniformidad), en el origen y desarrollo de fisiopatías de gran importancia económica como el agrietado, además de en el mantenimiento del estado hídrico de los frutos durante la postcosecha. En proyectos anteriores (AGL2006-12494, AGL2009-12134 y AGL2012-32613), de los que éste puede considerarse una continuación, se puso de manifiesto el importante papel que juega la cutícula en el agrietado y cómo cambios en las propiedades biomecánicas de la misma repercuten en la incidencia de esta fisiopatía. De igual manera, el estudio de los flavonoides presentes en la cutícula que le proporcionan su especial coloración en estadios maduros permitió identificar el papel que éstos juegan como reguladores de la síntesis de cutícula y en su permeabilidad al agua. En este proyecto se empleará una población de líneas recombinantes puras (RIL) y una población de líneas de introgresión (IL) de un cruzamiento S. lycopersicum x S. pimpinellifolium para la validación e identificación de QTLs y genes candidatos involucrados en la deposición de los distintos componentes de la cutícula (ceras, cutina, flavonoides, polisacáridos) y la localización de QTLs/regiones genómicas asociadas a otros caracteres de cutícula como el grosor y densidad que hasta el momento no han sido estudiados. Este abordaje multidisciplinar, que incluye el análisis biofísico de las cutículas, permitirá el diseño de variedades de fruto de tomate con propiedades biomecánicas e hidrodinámicas que reduzcan la incidencia del agrietado, que mantengan el estatus hídrico del fruto durante la postcosecha y que eviten caracteres gustativos de la piel poco deseables para el consumidor. Finalmente, se estudiará una colección de entradas de todas las especies silvestres de tomate que ahondará en el conocimiento de cómo ha evolucionado la cutícula y sus componentes en el taxon Lycopersicon. Este análisis evolutivo permitirá la identificación de diferentes tipos morfológicos de cutículas y de diversas combinaciones de sus componentes que serán útiles para el aumento de la variabilidad disponible en los futuros programas de mejora genética para la obtención de variedades de tomate de calidad. 


Estudio del mecanismo de adsorción de contaminantes aniónicos peligrosos por aluminosilicatos de diseño



Investigador Principal: Esperanza Pavón González
Periodo: 01-02-2015 / 28-02-2017
Organismo Financiador: Junta de Andalucía
Código: TAHUB-082. Programa Talent HUB
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El desarrollo científico, tecnológico e industrial en la últimas décadas del siglo pasado ha causado un incremento en la contaminación del medio ambiente. Debido a ello, la comunidad internacional reconoce la necesidad de desarrollar nuevas tecnologías y estrategias para el control de la contaminación. El objective principal de este Proyecto cumple con este propósito: el diseño de silicatos laminares expansibles de alta carga y su posterior modificación superficial para que se conviertan en materiales adecuados para la retención e inmobilización de contaminantes tóxicos aniónicos.
La metodología del Proyecto se basas en la síntesis de micas de alta carga expansibles con sustituciones isomórficas de Si+4 por Al+3 y con una densidad de carga en el rango de las micas frágiles pero con una capacidad de intercambio e hinchamiento inusuales en estos materiales. Para potenciar su capacidad de adsorción, la superficie de estos materiales se funcionalizará con magnetica por un lado y con la inclusion de cationes de alquilamonio, por otro.
Además, se establecerá un protocolo de inmobilizacion de productos aniónicos altamente tóxicos como son AsO42-, SO42-, en función de la estructura y la funcionalización de las micas de alta carga expansibles. Más tarde, la aplicabilidad de estas reacciones de adsorción se comprobará en suelos reales contaminados de Chile y España.


Desarrollo de procesos de combustión catalítica de hidrógeno y estudio de su integración en dispositivos para aplicaciones portátiles



Investigador Principal: Asunción Fernández Camacho
Periodo: 16-05-2014 / 15-05-2016
Organismo Financiador: Junta de Andalucía
Código: P12-TEp-862
Componentes: Julián Martínez, Gisela Arzac, Dirk Hufschmidt, Joaquín Ramírez, M.Carmen Vera, Vanda Godinho, Lionel Cervera, T.Cristina Rojas, Olga Montes, Mariana Paladini, Jaime Caballero-Hernández

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El hidrógeno como vector de transporte y almacenamiento de energía es un candidato muy atractivo en el contexto de un mayor uso de las energías renovables y limpias. La producción y el uso de la energía basada en la tecnología del hidrógeno es de especial relevancia en pequeña escala para aplicaciones portátiles (y potencialmente escalable para aplicaciones estacionarias). En el presente proyecto se abordará el estudio del proceso de combustión catalítica o controlada de hidrógeno en los distintos aspectos que puedan conducir a una configuración final integrada con un sistema de generación de H2 en aplicaciones portátiles. Para ello se aprovecharán las sinergias integrando investigadores de dos grupos del PAI: i) Del grupo TEP217, especialistas en almacenamiento y generación de hidrógeno en sistemas basados en hidruros metálicos, hidruros complejos y composites de hidruros reactivos; así como en el uso de catalizadores y aditivos para controlar y mejorar las cinéticas de estos procesos. ii) Del grupo FQM342, especialistas en la obtención de cerámicos porosos de alto interés como soportes de catalizadores en entornos agresivos de combustión. Además la colaboración se completa con la participación de la empresa Abengoa Hidrógeno S.A. que participa en calidad de subcontratada como especialistas en sistemas de producción y almacenamiento de hidrógeno.
En particular se trabajará en este proyecto en las siguientes líneas de actuación:
1.- Desarrollo de catalizadores y soportes para la combustión controlada. Típicamente cerámicas porosas biomórficas de carburo de silicio y catalizadores clásicos tipo metal noble y nuevos catalizadores de bajo coste a desarrollar en el proyecto.
2.- Desarrollo de los reactores necesarios para el estudio de la combustión controlada. Típicamente para flujos de hidrógeno de unos pocos ml/min y para la escala de un generador de H2 ya disponible de 0.5 a 1.5 L/min.
3.- Acoplamiento al sistema de combustión controlada de los sistemas portátiles de generación de hidrógeno que hemos desarrollado en proyectos anteriores.
4.- Aplicación de la tecnología de pulverización catódica de una manera exploratoria en este proyecto para depositar los catalizadores de combustión catalítica en sustratos porosos.
5.- Caracterización microestructural y química de los soportes y catalizadores en la nanoescala para seguir los procedimientos de síntesis y evolución en operación.
 


Estudio de la inmovilización de metales pesados por micas de alta carga sintéticas organofuncionalizadas: pruebas a escala de laboratorio



Investigador Principal: María Dolores Alba Carranza
Periodo: 16-05-2014 / 16-02-2019
Organismo Financiador: Junta de Andalucía
Código: P12-FQM-567
Componentes:

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El tema central del proyecto aborda la exigencia tecnológica mediambiental de desarrollar metodologías avanzadas para la eliminación de agentes contaminantes. El interés y los esfuerzos encaminados al desarrollo de nuevas tecnologías orientadas a tratamientos más eficientes en la inmovilización y revalorización de los residuos peligrosos es crecientes en los planes de I + D + i de los últimos años. Es en este escenario donde debe encuadrarse el presente proyecto y en concreto en el marco de la gestión de cationes de metales pesados, tema de elevado interés social en la presente década.

Desde la segunda mitad del siglo XX la Humanidad se ha enfrentado a un enorme desarrollo científico y tecnológico que es el responsable de un incremento de la contaminación mediambiental. Como ejemplo podemos mencionar dos problemas que en la actualidad son motivos de preocupación y actuación de la Junta de Andalucía: contaminación de los litorales andaluces y las aguas residuales urbanas. Por tanto, estamos ante un problema complejo en el que los agentes contaminantes son variados, las fuentes de procedencia son diversas y las vías o rutas seguidas por los distintos contaminantes, frecuentemente, escapan al control necesario para evitar efectos indeseados sobre el entorno natural y urbano. Es por ello, que se demanda una investigación a nivel básico y aplicado de los mecanismos necesarios para la inmovilización de dichos cationes nocivos.

Los objetivos y alcance de este proyecto se basan en los avances llevados a cabos por otros grupos de investigación de la gestión de estos tipos de contaminantes y en los últimos resultados de la investigación llevada a cabo por el equipo de investigación que han permitido el diseño de silicatos laminares expansibles de alta carga con especiales propiedades como precursores para la retención de residuos nocivos. Por tanto, se propone en este proyecto la organofuncionalización de dichas micas sintéticas con grupos tioles o con cationes de alquilamonio de longitud de cadena variable y la evaluación de su capacidad de adsorción y retención irreversible de metales pesados.


Filtros Bio-cerámicos para partículas en motores diesel



Investigador Principal: Julián Martínez Fernández / Ricado Chacartegui
Periodo: 01-01-2014 / 31-12-2016
Organismo Financiador: Ministerio de Economía y Competitividad
Código: MAT2013-41233-R (Programa Retos)
Componentes: José Antonio Becerra Villanueva, Alfonso Bravo León, Manuel Jiménez Melendo, Antonio Ramírez de Arellano López, Joaquín Ramirez Rico, Francisco Varela Feria

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La importancia del control de las emisiones de partículas en  motores diésel es fundamental dados el  volumen global  de los mismos y el impacto medioambiental y económico asociado. Los sistemas de control de partículas basados en modificaciones del proceso de combustión en el motor no son suficientes para alcanzar las exigencias normativas actuales, y menos las futuras, y por tanto necesariamente hay que emplear sistemas de postratamiento como los filtros. Existe un amplio margen de mejora de los mismos tanto en fiabilidad, control de la degradación de prestaciones, durabilidad, operación multicombustible y reducción de costes.

En el presente proyecto se abordará el desarrollo y fabricación de un filtro de partículas regenerativo en motores diésel que mejore las especificaciones de los sistemas actuales, basado en una nueva generación de materiales cerámicos bioderivados, y que integre sistemas para la combustión de partículas. Para ello se aprovecharán las sinergias integrando investigadores del: i) Grupo Maquinas y Motores Térmicos, GMTS, especialistas en motores de combustión interna ii) Grupo Materiales Biomiméticos y Multifuncionales, MBM, especialistas en la obtención de cerámicos porosos bioderivados, así como en caracterización físico-química y microestructural. El proyecto se completa con la colaboración de empresas en la evaluación de la tecnología y su aplicabilidad industrial.

Se trabajará en las siguientes líneas:

-Determinación de rutas de procesado para el desarrollo de elementos filtrantes con propiedades físico‐químicas idóneas, en base a los conocimientos previos en materiales bioderivados y nuevas tecnologías relativas al uso de geles de SiO2.
-Determinación de catalizadores idóneos y sistemas para su deposición.
-Fabricación de los elementos filtrantes constituidos de soporte poroso más catalizador.
-Caracterización exhaustiva de las propiedades microstructurales y físico-químicas de interés para la aplicación.
-Desarrollo de sistemas de activación para la regeneración del filtro.
-Diseño y fabricación de los filtros con geometría idónea y dimensiones prototipo.
-Diseño de la unidad piloto y estudio de la integración y operación sobre el motor de referencia.
-Diseño final del filtro para su instalación industrial.

Estudios previos desarrollados por MBM en estos materiales bioderivados han demostrado su potencialidad como elementos filtrantes de gas a altas temperaturas en plantas de gasificación de carbón, lo que avala el éxito de este proyecto, que abordará las mejoras necesarias para desarrollar la tecnología en las condiciones de combustión de los motores diésel, bajo condiciones dinámicas en vehículos y filtros regenerativos.

Una reducción de contaminantes en las emisiones de los motores diésel tendría un gran impacto medioambiental, para la salud y económico, debido a los cerca de 100 millones de vehículos diésel circulando en Europa y una industria vinculada con más de 2 millones de empleos directos y tendencia creciente en el mercado. Este proyecto aborda el Reto Social 3 del Horizonte 2020, Energía segura, limpia y eficiente. Además el uso de materiales biocerámicos permite la sustitución de los elementos metálicos empleados en la actualidad, por lo que también se alinea  con el Reto Social 5 del Horizonte 2020 en la búsqueda de alternativas a las materias primas esenciales en aplicaciones ya existentes reduciendo la dependencia de importaciones y sostenibilidad de las aplicaciones.


Obtención de bioplásticos tipo polihidroxialcanoato (PHA) de cadena larga a partir de desechos de epidermis de frutos comerciales



Investigador Principal: José Jesús Benítez Jiménez
Periodo: 16-05-2013 / 15-05-2016
Organismo Financiador: Junta de Andalucía
Código: P11-TEP-7418 (Proyecto de Excelencia)
Componentes: Antonio Heredia Bayona, Miguel Angel San Miguel Barrera, Jaime Oviedo López, J. Alejandro Heredia Guerrero, Santiago Domínguez Meister, Daniel Aguilera Puerto, Francisco Javier Navas Martos, José Manuel de la Torre Ramírez

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El presente proyecto de investigación tiene por objeto el estudio de la viabilidad de la implementación de un proceso a escala planta piloto que permita obtener un material bioplástico a partir de una materia prima asequible y de bajo coste como son los desechos de pieles (epidermis) de frutos. La oportunidad de la propuesta parte de proponer un nuevo tipo de material polimérico completamente inocuo, biodegradable y ecológico como sustituto de plásticos tradicionales obtenidos a partir del petróleo que conllevan un serio problema medioambiental, tanto en su producción industrial como en su posterior desecho. Por otro lado, el concepto de sostenibilidad medioambiental se extiende no sólo a la biodegradabilidad del producto final y al bajo impacto del proceso de producción propuesto, también a su obtención a partir de un recurso vegetal que no se retrae de la cadena alimenticia animal y humana, como es el caso de los bioplásticos que se vienen fabricando actualmente a partir de maíz o patata. Por otro lado, y en nuestro ámbito territorial andaluz, la materia prima es especialmente accesible dado el volumen de la actividad agroalimentaria. En este mismo sentido, el nuevo bioplástico podría paliar un importante problema de eliminación de residuos plásticos en explotaciones agrarias ya que se concibe como plenamente compostable y, por tanto, capaz de generar biomasa asimilable por la siguiente generación de plantas. El producto propuesto viene, además, a completar la gama de polihidroxialcanoatos (PHA) a los miembros de la serie obtenidos a partir de polihidroxiácidos de cadena larga. Las propiedades singulares de esta nueva familia puede ser un buen complemento de los ya conocidos y podría dar lugar a aplicaciones novedosas y de mayor valor añadido.


Inmovilización de cationes en un espacio confinado de alta densidad de carga: gestión de residuos peligrosos



Investigador Principal: María Dolores Alba Carranza
Periodo: 01-01-2011 / 31-12-2013
Organismo Financiador: Ministerio de Ciencia e Innovación
Código: CTQ2010-14874/BQU
Componentes: Miguel Angel Castro Arroyo, Maria del Mar Orta Cuevas, Mery Carolina Pazos Zarama, Said ElMrabet, Esperanza Pavón González, Maria Villa Alfageme, Santiago Medina Carrasco, Ana Isabel Becerro Nieto, Alberto José Fernández Carrión

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El tema central del Proyecto aborda la exigencia tecnológica medioambiental de desa-rrollar metodologías avanzadas para la eliminación de agentes contaminantes. El interés y los esfuerzos encaminados al desarrollo de nuevas tecnologías orientadas a tratamientos más eficientes en la inmovilización y revalorización de los residuos peligrosos es crecientes en los planes de I + D + i de los últimos años. Es en este escenario donde debe encuadrarse la presente propuesta, circunscrita en dos hallazgos básicos experimentales: el diseño de silicatos laminares expansibles de alta carga con una distribución controlada de sus centros activos que le confieren especiales propiedades como precursores para el diseño de materiales eficaces en cuanto a la retención de residuos nocivos y radiactivos, y la obtención de fases disilicatos insolubles en condiciones suaves, apropiadas para la inmovilización de dichas especies. Dicho objetivo representa un cambio cualitativo en el trabajo que se viene desarrollando en cuanto a su aplicación a residuos radioactivos y tóxicos reales, de una parte, y en cuanto a la aplicación de la metodología desarrollada en sistemas modelos a silicatos de utilidad, de otra. Los objetivos se adecuan, en general, a las líneas prioritarias de Investigación básica de Química, en concreto en el área de Química Inorgánica (Química del Estado Sólido) y Química Medioambiental, pero a pesar de su carácter básico posee un carácter aplicado que se adecua a diversas líneas de investigación de Química Orientada y ha despertado el interés de diversas empresas observadoras (ENRESA, BEFESA y ALQUIMIA). Estos objetivos requieren el desarrollo de técnicas de análisis sofisticado como la Resonancia magnética Nuclear de Sólido, la Difracción de Rayos-X bajo atmósfera controlada o espectroscopia gamma de bajo recuento, teniendo en cuenta el objetivo particular de dicha área de usar la tecnología instrumental y experimental para el estudio de materiales, satisfaciendo además el objetivo O2.5 (Potenciar la disponibilidad de infraestructuras de uso interdisciplinar y de uso compartido por los distintos agentes del sistema) del plan nacional de I+D+i 2008-2011. La viabilidad de la propuesta se garantiza, en primer lugar, porque el EI ha publicado recientemente la síntesis de silicatos laminares hidratables de alta carga, donde describe un método a partir del cual se puede ajustar la carga deseada para el material; en segundo lugar, el EI posee una dilatada experiencia en el diseño de mecanismos de síntesis de silicatos, como se demuestra por los numerosos artículos publicados en esta área durante la última década y finalmente, el EI ha desarrollado metodología necesaria para el desarrollo de este experimento en colaboración con otros Grupos con los que mantiene una estrecha colaboración científica.


Bioener: Aplicación de tecnologías biomiméticas a sistemas energéticos



Investigador Principal: Julián Martínez Fernández
Periodo: 01-01-2010 / 31-12-2012
Organismo Financiador: Junta de Andalucía
Código: P09-TEP-5152 (Proyecto de Excelencia)
Componentes: Manuel Jiménez Melendo, Antonio De Arellano-López, Alfonso Bravo León, F.M. Varela Feria

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Los avances tecnológicos han permitido diversificar y optimizar la producción de ener-gía, lo que ha conducido al mismo tiempo, a desarrollar nuevas vías de almacenamiento de la misma. En particular, a medida que se diversifican los métodos de producción energética, es necesario desarrollar nuevos materiales para almacenamiento de energía, para su uso en dispositivos de consumo y transporte. Esto es especialmente importante para países que, como España, llevan años aumentando la presencia de las renovables en su carta de tecnologías de producción eléctrica y son actualmente líderes mundiales del sector. El Plan de Fomento de las Energías Renovables 2000-2010 tiene como objetivo para este año generar hasta el 30% de las necesidades de consumo energético nacionales a partir de energías renovables, mientras que en algunas comunidades autónomas la cuota de renovables supone ya más del 75% del consumo anual. La progresiva penetración de las renovables debe ir necesariamente acompañada del desarrollo de nuevas tecnologías de distribución y almacenamiento energético, teniendo en cuenta que la potencia suministrada por las renovables es intermitente y variable, al depender las condiciones meteorológicas. Otra estrategia a corto plazo para reducir la dependencia de los combustibles fósiles es la mejora de la eficiencia los sistemas de generación de energía convencionales mediante el aumento de las temperaturas de operación, por ejemplo en turbinas de combustión de gas. El desarrollo de nuevos materiales para aplicaciones de alta temperatura ha ido tradicionalmente ligado a la demanda de mayores eficiencias. De entre ellos, los materiales cerámicos se postulan como candidatos para aplicaciones en entornos químicamente agresivos a temperaturas superiores a los 1000ºC. Carburos y nitruros en particular, con su elevado punto de fusión y excelentes propiedades termomecánicas, están siendo extensamente estudiados en la actualidad para este tipo de aplicaciones. Los cerámicos porosos también son de gran interés en aplicaciones energéticas, como intercambiadores de calor o sistemas de filtrado de gas de síntesis, entre otros. De las líneas de investigación en nuevos materiales para almacenamiento energético, el desarrollo de nuevos sistemas de almacenamiento electroquímico tendrá un gran impacto a corto plazo, especialmente en el consumidor final: el desarrollo de baterías y condensadores electroquímicos de alta capacidad es clave para la viabilidad de tecnologías que, como los vehículos eléctricos, deberán implantarse en un corto plazo para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Es por esta razón que los materiales para almacenamiento electroquímico han recibido gran atención de la comunidad científica y constituyen uno de los grandes retos tecnológicos actuales. El carburo de silicio biomórfico (bioSiC) es un material cerámico obtenido por infiltra-ción reactiva de preformas de carbono obtenidas mediante pirólisis de precursores vegetales. El precursor, generalmente madera, se mecaniza en bruto y se carboniza mediante un proceso de pirólisis en atmósfera controlada a alta temperatura, obteniéndose un material de carbono macroporoso (bioC) cuya microestructura es similar a la del precursor vegetal. Este precursor se mecaniza hasta una forma cercana al producto final y se infiltra reactivamente con silicio líquido o gaseoso para obtener un material de SiC/Si que presenta unas excelentes propiedades termomecánicas, con una microestructura que mimetiza la microestructura de la madera original. Es posible seleccionar las propiedades del material resultante mediante la elección adecuada del precursor. El silicio residual puede eliminarse para obtener un material de SiC macroporoso. Es posible, por último, reinfiltrar el bioSiC poroso con otros materiales, por ejemplo metales para obtener cermets bioSiC/Al o bioSiC/Cu. La posibilidad de producir materiales de carbono macroporosos con nanoporosidad controlada es interesante para su uso en aplicaciones electroquímicas, puesto que es posible infiltrar o recubrir los macroporos con una fase secundaria que proporcione funcionalidad adicional, por ejemplo en pilas de litio con arquitectura tridimensional o en supercondensadores oxido/carbono. En este sentido, el desarrollo de nuevos carbonos con porosidad y/o estructura controlada puede abrir una puerta hacia nuevas arquitecturas y diseños de dispositivo capaces de almacenar mayores densidades de energía. La mayoría de materiales nanoporosos de carbono utilizados en la actualidad se obtie-nen mediante la activación de carbones obtenidos por pirólisis de precursores orgánicos sintéticos, aunque en los últimos años el carbono obtenido a partir de carburos ha sido objeto de gran interés. Es posible, mediante el tratamiento a alta temperatura de carburos metálicos en una atmósfera clorada, obtener carbonos nanoporosos de alta pureza que resultan idóneos para aplicaciones electroquímicas. En este sentido ya se ha demostrado la posibilidad de obtener carbono nanoporoso a partir de carburos obtenidos por infiltración reactiva de precursores vegetales. El objetivo de este proyecto es doble: por un lado, se estudiará en detalle el procedi-miento de obtención de materiales de carbono a partir de precursores vegetales, prestando atención a la posibilidad de introducir distintos gases (CO2, vapor de agua) durante el proceso de pirólisis para obtener carbones activos con nanoporosidad para su uso en sistemas de almacenamiento electroquímico. Se estudiará además el efecto de la temperatura de pirólisis en el grado de cristalinidad, nanoporosidad, tamaño de cristal y estructura del carbono resultante, y se explorará la posibilidad de promover la cristalización del carbono mediante el uso de distintos catalizadores. Se caracterizará la microestructura de los materiales resultantes, así como sus propiedades físicas y termo-mecánicas.


Microestructura y deformación plástica a alta temperatura de óxidos eutécticos basados en Al2O3. Superplasticidad



Investigador Principal: Manuel Jiménez Melendo
Periodo: 01-01-2010 / 31-12-2012
Organismo Financiador: Ministerio de Ciencia y Tecnología
Código: MAT2009-13979-C03-01
Componentes: Julián Martínez Fernández, Antonio Ramírez De Arellano-López, Alfonso Bravo León, Caroline Clauss Klamp, F.M. Varela Feria, C. Vaquero Aguilar

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Se pretende desarrollar óxidos eutécticos binarios y ternarios basados en la alúmina –en concreto, Al2O3/ZrO2, Al2O3/Y3Al5O12(YAG), Al2O3/ZrO2/YAG y Al2O3/SiO2/ZrO2, con la circona estabilizada con diferentes contenidos de Y2O3– con microestructuras controladas en el intervalo micro- a nanométrico, para su empleo en aplicaciones estructurales y térmicas de sistemas de generación y conversión más eficientes de la energía: soportes para pilas de combustible, reactores químicos, reactores enfriados por gas de alta temperatura, barreras térmicas sobre superaleaciones metálicas en turbinas y motores, etc. Entre las altas prestaciones de estos materiales caben destacar: elevado punto de fu-sión, baja densidad, conductividad térmica, escasa reactividad química incluso a alta tempera-tura, y excelentes propiedades mecánicas tanto a bajas como a elevadas temperaturas: resis-tencia mecánica cercana a 5 GPa a temperatura ambiente, resistencia a la fluencia, al desgaste y a la erosión. Pero lo más novedoso y potencialmente interesante de estos materiales es su comportamiento superplástico, en microestructuras nanométricas, recientemente descubierto por el equipo investigador solicitante.Estos materiales se producirán por técnicas de procesamiento asistido por láser en tres configuraciones distintas: masivos, recubrimientos planos (capas individuales sobre soportes cerámicos y metálicos) y multicapas. En particular, para esta última configuración se diseñarán estructuras con campos de tensiones residuales favorables para unas prestaciones mecánicas y térmicas óptimas en función de las diferentes aplicaciones requeridas. Estas tensiones residuales se investigarán mediante técnicas de espectroscopía Raman y piezoespectroscopía, y se compararán con los resultados de simulaciones numéricas. Por otra parte, las técnicas de tratamiento por láser se emplearán también para alterar la microestructura de los recubrimientos cerámicos convencionales depositados por proyección térmica sobre las superaleaciones metálicas en componentes de motores así como para mecanizar los materiales producidos con objeto de conferirles una determinada geometría funcional, o con el fin de modificar su superficie de forma que mejore el comportamiento frente al desgaste. Uno de los objetivos fundamentales de este proyecto será estudiar materiales con fases nanométricas que posibiliten un comportamiento superplástico a altas temperaturas (que contrasta con la extraordinaria resistencia a la deformación de los materiales con fases micrométricas), de forma que abra la posibilidad de la unión y el conformado fácil con forma casi final de piezas complejas, recuperando su resistencia característica tras tratamientos térmicos. Las propiedades mecánicas (resistencia a compresión y a flexión, módulo de elastici-dad, dureza, tenacidad a fractura y desgaste) de los materiales se evaluarán desde temperatura ambiente hasta 1950 K mediante diferentes técnicas en aire, así como en otras atmósferas para determinar su influencia en el comportamiento mecánico o la degradación del material. Una parte complementaria, pero fundamental, del proyecto es la caracterización es-tructural y microestructural de los materiales fabricados, así como su evolución con los ensa-yos mecánicos. De esta forma se podrán establecer las relaciones entre el comportamiento mecánico observado (propiedades necesarias para el diseño ingenieril) y sus parámetros microestructurales característicos. Con esta finalidad, se utilizarán técnicas de microscopía óptica convencional y confocal, electrónica con microanálisis y difracción, de fuerzas atómicas, así como difracción con textura por rayos X. Del análisis de los resultados de los ensayos termo-mecánicos y de la caracterización microestructural se pretende llegar al entendimiento básico de la relación entre microestruc-tura y propiedades. Esto permitirá retroalimentar el proceso de producción de los materiales eutécticos, para lograr microestructuras específicas para las diferentes aplicaciones con pro-piedades macroscópicas optimizadas.


Materiales compuestos de matriz cerámica y fase de baja dimensionalidad orientados a la gestión de residuos



Investigador Principal: Miguel Angel Castro Arroyo
Periodo: 01-10-2007 / 30-09-2010
Organismo Financiador: Ministerio de Educación y Ciencia
Código: CTQ2007-63297
Componentes: Alba, M.D., Alvero, R., Becerro, A.I., Chain, P., Escudero, A., Naranjo, M., Trillo, J.M.

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El objetivo central del Proyecto es la obtención de materiales compuestos a partir de silicatos laminares de alta carga expansibles particularmente diseñados conteniendo fases de baja dimensionalidad con actividad eficaz respecto de la retención e inmovilización de residuos tóxicos y peligrosos. El aspecto esencialmente innovador surge, de una parte, de la confluencia de los estudios que el E.I. venía realizando con investigadores de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) con los resultados del último proyecto nacional desarrollado. De otra, de la acción de reunificación de los investigadores que participan en un proyecto único, de carácter multidisciplinar, en la frontera de la química básica de los silicatos con la gestión de residuos e interpretación del fenómeno de subducción en el manto inferior de la Tierra. La hipótesis según la cual la eficacia en la eliminación de contaminantes tóxicos y radioactivos por aluminosilicatos laminares viene controlada por la disposición estructural y por la composición de las fases de baja dimensionalidad originada durante los tratamientos se ha elaborado a partir de los resultados obtenidos por el E.I. en la última década de trabajo. La metodología prevista no se limita a la síntesis de los materiales compuestos y a su caracterización, pues incorpora una medida del potencial que representarían en el tratamiento de residuos, esencialmente basados en algunos contaminantes orgánicos y cationes pesados, tóxicos y radiactivos. El desarrollo del proyecto incidirá sobre las relaciones del E.I. con los Grupos de la Universidad de Bayreuth (Alemania) y Cambridge (Reino Unido), las cuales han conducido a numerosas publicaciones conjuntas, antecedentes de la presente solicitud. El carácter multidisciplinar del proyecto junto con el marcado carácter académico y docente, se considera avales de la elevada capacidad formativa del Proyecto.


Inertización de residuos tóxicos y radioactivos en una matriz de silicatos



Investigador Principal: Miguel Angel Castro Arroyo
Periodo: 28-2-2007 / 1-3- 2010
Organismo Financiador: Junta de Andalucía
Código: P06-FQM-02179
Componentes: Alba, M.D., Alvero, R., Becerro, A.I., Chain, P., Escudero, A., Naranjo, M., Pavón, E., Trillo, J.

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El presente Proyecto pretende emplear silicatos laminares expansibles de alta carga, diseñados bajo procedimientos que permitan controlar la cantidad y distribución de los centros tetraédricos activos, en un conjunto de tratamientos químicos suaves, en contacto con elementos tóxicos seleccionados, en colaboración con las empresas BEFESA y ENRESA, que permitan su encapsulamiento e inmovilización posterior. Durante la realización del mismo se plantea, en un primer período, analizar el efecto que las variables experimentales involucradas en el procedimiento de síntesis ejercen sobre la distribución de los centros activos de los materiales. En un segundo período, los precursores obtenidos se tratarán bajo condiciones hidrotermales, en condiciones subcríticas, con disoluciones conteniendo elementos tóxicos y radioactivos cuidadosamente seleccionados. Finalmente, se estimará el grado de retención de los elementos en las nuevas fases obtenidas. El Equipo Investigador (E.I.) responsable de la realización del Proyecto incorporará una metodología experimental desarrollada recientemente en su seno que incluye el empleo combinado de técnicas tales como la Resonancia Magnética Nuclear de Sólidos, la Difracción, y la Fluorescencia y Microfluorescencia de Rayos X, que suministrarán información acerca tanto del orden a largo alcance como del entorno local de los centros activos de los residuos, responsables de su peligrosidad. Ello deberá suministrar información directa, no disponible en la actualidad, acerca del mecanismo final de fijación, piedra angular del Proyecto. Los Resultados esperados aportarán, desde el punto de vista de la investigación desarrollada, información básica útil acerca de los mecanismos de interacción de iones metálicos con la red de silicatos laminares expansibles y su relación con el ordenamiento local de los átomos constituyente de éstos y, en segundo lugar, un conocimiento útil, de carácter aplicado, que permita desarrollar nuevos procedimientos adecuados de encapsulamiento de residuos industriales, en conexión con las colaboraciones actualmente desarrolladas con empresas del sector, lo cual marca el carácter innovador del mismo.


Nuevos procesos de bio-ceramización aplicables a estructuras vegetales jerarquizadas



Investigador Principal: Julián Martínez Fernández
Periodo: 01-10-2006 / 30-09-2010
Organismo Financiador: Unión Europea
Código: STRP 033277 TEM-PLANT
Componentes: Ramírez de Arellano-López, A., Jiménez, M., Marrero, M., Clauss, M., Bravo, A., Quispe, J.J.

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El Proyecto TEM PLANT se centra en el desarrollo y aplicación de procesos avanzados para transformar estructuras jerarquizadas vegetales en dispositivos biomédicos innovadores con comportamientos anisotrópicos inteligentes y características biomédicas avanzadas, diseñadas para la sustitución de huesos y ligamentos. Las bioestructuras naturales normalmente poseen propiedades superiores a sus análogos sintéticamente fabricados con iguales composiciones de fase, ya que están sumamente organizadas desde las escalas molecular, a la nano, micro y macroscópica, siempre de una forma jerarquizada, con unas arquitecturas complejas pero extremadamente funcionales capaces de adaptarse constantemente a los cambios mecánicos necesarios. El proyecto TEM-PLANT combina la biología, química, ciencia de materiales, nanotecnología y tecnologías de producción, en nuevos y complejos procesos de transformación que originen materiales para implantes óseos o sustitutos de ligamentos. Partiendo de la materia prima vegetal adecuadamente seleccionada, se originarán precursores carbonosos, sobre los cuales se realizará procesos de infiltración en fase líquida o vapor de silicio y calcio, electroforesis y mineralización/deposición superficial, produciendo estructuras cerámicas inertes/reabsorbibles de carburo de silicio/apatita.

Los experimentos de implantación in vivo demuestran la excelente biocompatibilidad de este nuevo material, y cómo es colonizado por el tejido óseo anfitrión debido a su porosidad jerárquicamente interconectada única. Este proyecto desarrollará materiales ligeros y resistentes para la sustitución de huesos con una estructura-morfología adecuada para una funcionalidad mecánica óptima, lo que abriría las puertas a una amplia nueva generación de aplicaciones biomédicas.


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