Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Study of the influence of cobalt in the high formability of the Au-Fe system

ABSTRACT Since ancient times, gold has been used due to its especial properties. Among those properties are the resistance to corrosion (for being noble), its high electrical and thermal conductivity, and also its conspicuous coloration. Gold has been applied in a diversity of subjects such as economy, jewelry, electronic circuits and odontology. The fascinating properties of gold are likely to improve with the preparation of alloys; among those, the Au-Fe alloys constitute some of the most studied nowadays. In this research, we present our results concerning the microstructure of the Au-Fe and Au-Fe-Co alloys. We fabricated gold based alloys with 25% (weight) Fe and then compared their structure and formability to Au-24.5Fe-0.5Co (% weight) to determine the role of cobalt in the alloy. An induction furnace with controlled atmosphere (argon) and conductor crucibles coated with zirconium silicate was used. The samples were characterized by three processes: as-cast, with heat treatment (HT) at T=900°C (1h and 3h) and as-cast centrifuged. The formability results for the as-cast samples revealed a 23% deformation (rolling mill) for the Au-25Fe versus a 62% for the Au-24.5Fe-0.5Co alloy (HT-1h; T=900°C), whilst for the as-cast centrifuged sample revealed a 75% deformation with ductile fracture for the Au-25Fe versus an 82% without fracture for the Au-24.5Fe-0.5Co alloy. This result is particularly promissory for the applications in jewelry, showing that the addition of cobalt increases the formability of Au-Fe alloys.

RESUMEN Históricamente el oro ha sido usado debido a las especiales propiedades que posee, entre las que se pueden resaltar su resistencia a medios agresivos (por ser altamente inerte), su buena conducción térmica y eléctrica, y porque además presenta un color llamativo. Sus principales aplicaciones se han dado en áreas como la economía (en el uso de monedas), en joyería, en electrónica y en odontología. Con el fin de mejorar las propiedades que presenta el oro, se fabrican aleaciones de éste con otros metales. Dentro de las nuevas aleaciones que se están desarrollando, se encuentra el sistema de aleaciones Au-Fe. En esta investigación se pretende profundizar en el estudio de la microestructura de las aleaciones Au-Fe y Au-Fe-Co, para lo cual, se fabricaron aleaciones base oro aleadas con 25% (p/p) Fe y se han comparado a nivel de estructura y conformabilidad con la aleación Au-24.5Fe-0.5Co (% p/p), con el fin de determinar la influencia de este último aleante (el cobalto). Las aleaciones se obtuvieron en horno de inducción con atmósfera controlada de argón, utilizando crisoles conductores revestidos con silicato de zirconio. Las muestras se caracterizaron en tres diferentes procesos: as-cast con tratamiento térmico a temperaturas de 900°C a una y tres horas respectivamente y as-cast centrifugada. Los resultados de conformabilidad al finalizar el proceso son 62% de deformación (en laminador) para la aleación Au-24.5Fe-0.5Co contra el 23% para el sistema Au-25Fe para las muestras obtenidas as-cast y con tratamiento térmico a 900°C por 1 hora. Las muestras as-cast centrifugadas presentaron una deformación de 75% con fractura dúctil en Au-25Fe y de 82% sin fractura en Au-24.5Fe-0.5Co. El anterior resultado es satisfactorio para el sistema con adición de cobalto, lo cual es altamente benéfico para diversas aplicaciones, sobretodo la joyería.

Kinetics of nopyl acetate synthesis by homogeneously catalyzed esterification of acetic acid with nopol

ABSTRACT The esterification of nopol with acetic acid to produce nopyl acetate using sulfuric acid as homogeneous catalyst was studied. The reactions were carried out in a batch reactor, at different temperatures (50, 60, 70 and 80 °C), catalyst concentrations (0.0184, 0.0275, 0.0367 and 0.0480 mol L-1) and molar ratio of acetic acid to nopol (1: 1, 1:2, 1:3 and 1: 4); the chemical equilibrium composition was measured at those reaction conditions. It was found that the equilibrium composition is a weak function of temperature, equilibrium conversion was 63, 68, 71 and 75% at 50, 60, 70 and 80°C, respectively. The reaction was described with a simple power-law model with a second-order kinetic model for both the forward and the backward reaction, using concentration and activities which were predicted by the Universal Functional group Contribution (UNIFAC) method for considering non-ideal behavior of the liquid phase. The forward reaction rate and the equilibrium constants increased with temperature; the relation of the pre-exponential factor with the catalyst amount was evaluated. The activation energy and pre-exponential factor estimated for the forward reaction using the kinetic model based on concentration, were respectively, 28.08 kJ mol-1 and 11126 L mol-1 h-1 with a concentration of catalyst of 0.0275 M. Using the kinetic model based on activities, the forward reaction rate constant was 28.56 kJ·mol-1 and the k fo,act was 33860 L mol-1 h-1. The enthalpy (34.90 kJ mol-1) and the entropy (0.12 kJ mol-1 K-1) of reaction were determined using van’t Hoff equation.

RESUMEN Se estudió la esterificación de nopol con ácido acético para producir acetato de nopilo utilizando ácido sulfúrico como catalizador homogéneo. Los experimentos se llevaron a cabo en un reactor por lotes variando la temperatura (50, 60, 70 y 80 °C), la concentración del catalizador (0,0184, 0,0275, 0,0367 y 0,0480 mol L-1) y la relación molar de ácido acético a nopol (1: 1, 1:2, 1:3 y 1: 4); la composición del equilibrio químico se midió a las condiciones de reacción. La conversión de equilibrio fue 63, 68, 71 y 75% a 50, 60, 70 y 80°C, respectivamente. La reacción se describió con un modelo de potencia simple con un modelo de segundo orden en ambas direcciones, usando concentraciones y actividades, las cuales se predijeron con el método de contribución de grupos UNIFAC. Se determinaron las constantes de velocidad de la reacción directa y la constante de equilibrio, las cuales aumentaron con la temperatura; se evaluó la relación del factor pre-exponencial con la cantidad de catalizador. La energía de activación y el factor pre-exponencial estimados para la reacción hacia adelante usando el modelo basado en concentración fueron respectivamente 18,08 kJ mol-1 y 11126 L mol-1 h-1 con una concentración de catalizador de 0,0275 M. Usando el modelo basado en actividades la constante de velocidad directa fue 28,56 kJ·mol-1 y el factor pre-exponencial 33860 L mol-1 h-1. La entalpía (34,90 kJ mol-1) y la entropía (0,12 kJ mol-1 K-1) de reacción se determinaron usando la ecuación de van’t Hoff.

Corrosion protection in saline environment of a carbon steel coated (aluminum & three-layer painting system) by eats

ABSTRACT This paper presents a comparative study on corrosion protection of low-carbon steel coated with two different painting systems. The first set of samples was coated with an aluminum layer of primer deposited by Electric Arc Thermal Spray (EATS), after which two additional layers of paint were applied, thereby creating an aluminum-painting system; while the second set of samples was coated with the traditional three-layer painting system (zinc-rich layer of primer). Afterwards, all the samples were exposed to the salt spray chamber. The samples were monitored to record their reactions in the corrosive saline environment. Scanning Electron Microscopy (SEM), adhesion and electrochemical corrosion tests were performed to characterize the coatings and report changes in their properties (adhesion, topography and homogeneity), which are related to exposure time. The three-layer painting system barely complied with manufacturer claims on protection time under corrosive conditions; on the other hand, the aluminum-painting system yielded better results by prolonging protection time.

RESUMEN Este artículo presenta un estudio comparativo de protección contra la corrosión de aceros de bajo carbono recubiertos con dos sistemas diferentes de pintura. El primer grupo de muestras fue recubierto con una capa de aluminio depositada por Rociado Térmico por Arco Eléctrico (EATS por sus siglas en inglés), subsecuentemente dos capas adicionales de pintura fueron aplicadas, creando así un sistema aluminio/pintura. Mientras que, un sistema tradicional de tres capas de pintura (primera capa de pintura rica en zinc) fue depositado en el segundo grupo de muestras. Finalmente, todas las muestras fueron expuestas en la cámara de niebla salina. Las muestras fueron monitoreadas para obtener su comportamiento en el corrosivo ambiente salino. Microscopia Electrónica de Barrido (SEM por sus siglas en inglés), ensayos de adhesión y corrosión electroquímica fueron realizadas para caracterizar los recubrimientos y reportar los cambios en sus propiedades (adhesión, topografía y homogeneidad), las cuales están relacionadas con el tiempo de exposición. El sistema de tres capas escasamente cumplió con la garantía dada por su fabricante en lo referente al tiempo de protección bajo condiciones corrosivas; por otro lado, el sistema de aluminio/pintura entregó mejores resultados al prolongar el tiempo de protección.

New chitosan-imine derivatives: from green chemistry to removal of heavy metals from water

ABSTRACT Three novel imine-chitosan derivatives were synthesized by condensation of the amino terminals of chitosan and 4-bromomethyl-2-hydroxybenzaldehyde A 1 , 4-formyl-2-hydroxybenzoic acid A 2 , and (E)-6-((2-(pyridin-2-yl)hydrazono)methyl)picolinaldehyde A 3 . Noteworthy, is the aqueous synthesis of imine-chitosan compounds using relatively mild conditions (70 °C) in a green chemistry fashion. The new compounds were characterized by 1H-NMR, FT-IR, elemental analysis, thermal gravimetric analysis (TGA), and differential scanning calorimetry (DSC). A solubility study at different pH values was performed for the three compounds, obtaining very different behaviors when compared to that of the pristine chitosan. Finally, by means of atomic absorption the ability to remove heavy metal ions, such as Pb(II) and Hg(II), was investigated for the imine-chitosan derivatives, which showed a high removal percentage at basic pH (between 8-10) but low removal percentage at pH lower than 5. Additionally, the nature of the substituent determines the solubility of the resulting adducts thus widening the potential applications of chitosan derivatives.

RESUMEN Se sintetizaron tres nuevos derivados imino-quitosano por condensación entre los grupos amino terminales del quitosano y 4-bromometil-2-hidroxibenzaldehido A 1 , Ácido 4-formil-2-hidroxibenzoico A 2 , y (E)-6-((2-(piridin-2-il)hidrazono)metil)picolinaldehido A 3 . Es de destacar en este trabajo que las reacciones fueron llevadas a cabo en medio acuoso empleando condiciones suaves de reacción (70°C). Los nuevos compuestos fueron caracterizados por RMN-1H, FT-IR, análisis elemental, análisis termo gravimétrico (TGA) y calorimetría diferencial de barrido (DSC). Se realizó un estudio de solubilidad a diferentes valores de pH para los tres compuestos, estableciendo comportamientos diferentes a los obtenidos con el quitosano extraído. Por último, mediante medidas de absorción atómica, se investigó la capacidad de los derivados imino-quitosano en la remoción de iones de metales pesados en agua, tales como Pb(II) y Hg(II), el cual mostró un alto porcentaje de remoción a pH básicos pero uno a pH por debajo de 5. Adicionalmente la naturaleza del sustituyente determinó la solubilidad de los aductos resultantes ampliando así las potenciales aplicaciones de estos derivados de quitosano.

Thermodynamic and kinetic study of the recovery of tungsten and cobalt from tool waste

ABSTRACT In the present research work, the recovery of tungsten and cobalt from waste coming from tungsten carbide-cobalt (WC-Co) tools, which are widely used in the metalworking industry, was analyzed. The WC-Co waste was characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy with microanalysis (SEM/EDS). The process started with the oxidation of the waste to obtain a mixture of oxides (WO3 and CoWO4). The ΔH and ΔG were calculated both for the oxidation and reduction processes. Thermodynamic and non-isothermal kinetic analyses were carried out to obtain a stability diagram where theoretical and experimental data are defined by transformation lines as a function of temperature; in addition, the apparent activation energy was determined. By a hydrogen reduction process, high-purity tungsten and cobalt in metallic form were obtained.

RESUMEN En el presente proyecto se analiza la recuperación de wolframio y cobalto a partir de residuos de herramientas fabricadas con carburo de wolframio - cobalto (WC-Co), las cuales son muy empleadas en la industria metalmecánica. El residuo de WC-Co se caracterizó por difracción de rayos X y microscopia electrónica de barrido con microanálisis (SEM/EDS). El proceso inició con la oxidación del residuo para obtener una mezcla de óxidos (WO3 y CoWO4). Se calculó el ΔH y el ΔG tanto para el proceso de oxidación como para el proceso de reducción. Un análisis termodinámico y un análisis cinético no isotérmico entregó una figura donde se combinan datos teóricos y datos experimentales con transformaciones perfectamente delimitadas; además se calculó la energía de activación aparente de este proceso. El proceso de reducción con hidrógeno entregó wolframio y cobalto en forma metálica con alta pureza.

Small-signal stability analysis of dc microgrids considering electric vehicles

ABSTRACT This paper presents a generalized model for small signal stability in dc microgrids considering electric vehicles. The proposed model considers four type of terminals, namely: constant power, constant voltage, constant current and constant impedance. A Newton-Raphson methodology is used to calculate the operation point of the microgrid and a sensitivity analysis is also presented. Some general features of the dc microgrid based on the intrinsic characteristics of the model are presented. Simulation results on different type of microgrids show the proposed small signal model is accurate compared to dynamical simulations.

RESUMEN Este artículo presenta un modelo generalizado para analizar la estabilidad en micro-redes dc desde el punto de vista de pequeña señal. La metodología propuesta considera cuatro tipos de terminales, a saber: potencia constante, voltaje constante, corriente constante e impedancia constante. Una metodología de Newton Raphson es propuesta para calcular el punto de operación de la micro-red teniendo en cuenta un analisis de sensibilidad. Las características intrínsecas de la micro-red permiten generar conclusiones generales sobre el comportamiento de algunas micro-redes. El modelo propuesto es adecuado a problemas reales como lo demuestran las simulaciones presentadas.

Polycaprolactone- Chitosan- Ag coatings on Ti6Al4V: Critical synergic aspects analyzed by Raman, EFM and contact angle

ABSTRACT The Ti6Al4V presented a natural oxide layer that increased the corrosion resistance of the material but decreased the physicochemical compatibility with the bone tissue. The use of polymeric coatings on Ti6Al4V allows the creation of an interface that promotes osseointegration and antibacterial activity. The objective of this work was to analyze a coating on Ti6Al4V obtained by dip-coating with a mixture of chitosan, polycaprolactone, and silver. The synergy between chitosan and silver allows the polymeric matrix to be retained and to enhance the coating’s mechanical-structural functions, integrating bone cells and serving as antibacterial agents. Coating morphology was assessed by scanning electron microscopy (SEM) and the distribution of chemical elements was determined by energy dispersive spectroscopy (EDS). Confocal Raman spectroscopy was used to evaluate the composition and structure of the coating. Electrical potential distribution, phase distribution and surface topography of surfaces were analyzed using an electrostatic force microscopy. Contact angle measurements were also performed to determine coating wettability.

RESUMEN El Ti6Al4V presenta una capa pasiva de óxido natural que aumenta su resistencia a la corrosión, pero disminuye su compatibilidad fisicoquímica con el tejido óseo. Los recubrimientos poliméricos en la aleación de Ti6Al4V permiten la creación de una interface entre el tejido óseo y la aleación que promueva la osteointegración y otros efectos dependiendo de sus componentes, como la actividad antibacterial. El objetivo de este trabajo fue analizar un recubrimiento sobre Ti6Al4V obtenido por medio de dip-coating con una mezcla de quitosano, policaprolactona y plata. La sinergia entre el quitosano y la plata permitió retener la matriz polimérica y mejorar las funciones estructurales del recubrimiento, sirviendo como agente integrador de las células óseas y posible agente antibacteriano. La morfología del recubrimiento se evaluó por microscopia electrónica de barrido (MEB) y la composición elemental por espectroscopia de energía dispersiva de rayos X (EDS). Se empleó espectroscopia confocal Raman para evaluar la composición y estructura del recubrimiento. La distribución del potencial eléctrico, fase y topografía de las superficies se analizó usando microscopia de fuerzas electrostáticas. Y por último la mojabilidad de los recubrimientos se realizó con mediciones de ángulo de contacto.

Model for microhardness profile prediction of annealed AISI 1045 steel cylindrical bars subjected to torsion

ABSTRACT In this work, the effect of the torsion process angle of twist and distance from the center of cylindrical bars on the microhardness profile of annealed AISI 1045 steel was studied. The results showed that the microhardness increase with the evaluated parameters and the hardening is related to the plastic deformation caused by the process rather than by microstructural transformations. Based on the experimental results, ANOVA-Pareto analysis was conducted proving that the angle of twist is the most influential control factor (59.35 %) among the parameters investigated. Finally, a model to predict the microhardness profile from the torsion process is presented.

RESUMEN En este trabajo se estudió el efecto del ángulo de giro del proceso de torsión y la distancia desde el centro en barras cilíndricas en el perfil de microdureza del acero AISI 1045 recocido. Los resultados mostraron que la microdureza aumenta con los parámetros evaluados y el endurecimiento se relaciona con la deformación plástica causada por el proceso más que por transformaciones microestructurales. Con base en los resultados experimentales, se realizó un análisis ANOVA-Pareto que demostró que el ángulo de giro es el factor de control más influyente (59,35%) entre los parámetros investigados. Finalmente, se presenta un modelo para predecir el perfil de microdureza del proceso de torsión.

Enantioselective epoxidation of styrene using in-situ generated dimethyldioxirane and dimeric homochiral Mn(III)-Schiff base complex catalyst

ABSTRACT The enantioselective epoxidation of styrene using in-situ generated dimethyldioxirane (DMD) and dimeric homochiral Mn(III)-Schiff base catalyst 1 has been explored. The parameters evaluated were olefin/oxidant molar ration, catalyst loading, reaction temperature and presence of nitrogen coordinating co-catalysts. Conversions of more than 99% and enantiomeric excess 66% were obtained. The selectivity is complete towards styrene oxide using 2 mol% catalyst loading, 1.36 mmol KHSO5 in 8 ml of water, absence of co-catalyst and 17 °C as reaction temperature. Furthermore, the catalyst could be recycled up to three times with slightly decrease of catalytic activity due mainly to the physical loss of the catalyst during the recovery step and at a lesser extent as a consequence of its oxidative degradation.

RESUMEN Se ha explorado la epoxidación enantioselectiva de estireno utilizando dimetildioxirano (DMD) generado in-situ y un complejo de base de Schiff homoquiral dimérico de Mn (III). Los parámetros evaluados fueron la relación molar olefina/oxidante, la cantidad de catalizador, la temperatura de reacción y la presencia de co-catalizadores coordinadores de nitrógeno. Se obtuvieron conversiones por encima de 99% y excesos enantioméricos cercanos al 66%. La reacción fue completamente selectiva hacia el óxido de estireno usando 2% en moles de carga de catalizador, 1.36 mmol de KHSO5 en 8 ml de agua, ausencia de co-catalizador y 17ºC como temperatura de reacción. Además, el catalizador puede reutilizarse hasta tres veces con una leve disminución de la actividad catalítica debido principalmente, a la pérdida física del catalizador durante la etapa de recuperación del catalizador, y en menor medida a su degradación oxidativa.

MePRiSIA: risk prevention methodology for academic information systems

ABSTRACT Information of academic systems can be stolen, modified or erased by attackers, causing losses to institutions. Applying a risk prevention methodology at educational institutions would help to avoid academic information misuse by users or attackers. MePRiSIA was designed as a risk prevention methodology to be simple and easy to understand while including the human factor in each step. This methodology has four steps to be considered in the process: setting the context, risk identification, risk analysis, and risk prevention. After being applied to the academic information system of Universidad de Pamplona (Colombia) called ACADEMUSOFT, MePRiSIA was evaluated by experts. In conclusion, after applying MePRiSIA to ACADEMUSOFT, the human factor was part of its most important assets and involved in the very high-level risks identified. According to the experts, implementation of MePRiSIA is hard when institution directors do not provide staff and financial resources for this purpose.

RESUMEN La información de los sistemas académicos puede ser robada, modificada o borrada por los atacantes y causar grandes pérdidas a las instituciones. Ya que, prevenir es mejor que curar, las instituciones educativas deberían aplicar una metodología de prevención de riesgos para evitar que los sistemas de información académica sean usados incorrectamente por los usuarios o los atacantes. Por ello se diseñó MePRiSIA, una metodología de prevención de riegos simple y fácil de entender que, a diferencia de las existentes, incluye el factor humano en cada paso. MePRiSIA consta de cuatro pasos: establecimiento del contexto, identificación de riesgos, análisis de riesgos y prevención de riesgos. MePRiSIA se aplicó en el sistema de información académica de la Universidad de Pamplona (Colombia) llamado ACADEMUSOFT y fue evaluada por expertos. Después de aplicar MePRiSIA en ACADEMUSOFT, se puede concluir que el factor humano es parte de sus activos más importantes y está entre los riesgos de más alto nivel identificados. De acuerdo con los expertos, la implementación de MePRiSIA es difícil cuando los directivos de la institución no proporcionan el personal ni los recursos financieros para este propósito.