A través de la catàlisi heterogènia a la recerca de la sostenibilitat

2015/03/12 Agirrezabal Telleria, Iker - Bilboko Ingeniaritza Goi Eskola Teknikoa, Ingeniaritza Kimikoa eta Ingurumenaren Ingeniaritza Saila, UPV/EHU Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Ingurumena
• Kimika

XIX. i XX. La revolució industrial dels segles XIX va portar amb si no sols nous productes sinó també canvis en els processos de fabricació d'aquests. El ferro i l'acer són els compostos que més força van prendre en aquesta revolució; no obstant això, el petroli és la font que ha permès transformar la gamma de productes més àmplia possible. La major part del petroli, refinat, com la gasolina, el gasoil i el querosè, es destina al mercat energètic, mentre que gran part es destina a la fabricació de lubrificants i asfalts. La producció de plàstics és una altra de les revolucions relacionades amb el petroli. Les propietats principals dels plàstics són l'adaptabilitat i la resistència química, sobretot tenint en compte el seu baix pes. Però quins factors o circumstàncies fan que el cru es converteixi en tants productes?

La importància de la catàlisi

Sens dubte, la naturalesa d'un producte depèn dels seus antecedents, és a dir, de la seva estructura molecular. Un dels exemples més clars són els polímers, en els quals els mateixos monòmers units per files poden formar una estructura polimèrica d'una determinada longitud. Bàsicament, l'estructura química és la mateixa, però com ja s'ha comentat anteriorment, en convertir-se en una cadena llarga, aquests polímers adquireixen propietats addicionals. A més de les condicions de reacció (temperatura, pressió, fluxos, etc.). ), la naturalesa del catalitzador sol ser un dels factors que determina la viabilitat d'un producte. El terme “catalisi” va ser utilitzat per primera vegada per l'investigador Berzelius en 1836. No obstant això, la catàlisi s'utilitzava també en processos de fermentació antics com la producció del vi. A pesar que els usuaris de llavors no tenien coneixement d'aquest concepte, el compost que ajudava a accelerar la fermentació i a obtenir un determinat producte era un biocatalizador.

Els catalitzadors es poden classificar en funció de la seva naturalesa física i química. Els biocatalizadores són catalitzadors d'origen biològic (enzims en general). També s'utilitzen industrialment per a la producció d'aliments (pa, Saccharomyces cerevisae) o combustibles (bioetanol procedent de la canya de sucre al Brasil). La complexitat dels enzims permet conduir reaccions més difícils que en molts processos químics. No obstant això, tenint en compte la demanda de consum als països occidentals, el principal inconvenient radica en la baixa velocitat de producció o en la desaparició de principis actius, especialment en comparació amb els processos termoquímics.

Perquè la velocitat de reacció sigui el més ràpida possible, en les últimes dècades s'han desenvolupat molts catalitzadors d'origen mineral com l'àcid sulfúric o l'hidròxid sòdic. Finalment, canviant la composició química dels catalitzadors, a més d'accelerar la formació dels diferents productes, es pot aconseguir que el procés es dirigeixi a un determinat producte a un preu assequible. Un dels exemples més clars de la catàlisi química és la combustió del fum dels cotxes. De fet, en la composició del fum dels cotxes es generen diversos compostos d'hidrocarburs i nitrogenats. Per a reduir el seu grau de contaminació se solen utilitzar catalitzadors químics formats per diferents metalls, en la majoria dels casos en forma sòlida.

En la indústria, per part seva, s'utilitza una catalisis homogènia per a elaborar la major part dels compostos. El contacte entre dos líquids o dos gasos permet una catàlisi homogènia entre dues fases iguals. Per descomptat, els principals inconvenients, a més de tenir una baixa renovables, són els problemes derivats del procés. L'oxidació de la instal·lació i la separació del producte/catalitzador provoquen un augment dels costos de tot el sistema i, en particular, la generació de molts corrents tòxics tan contaminants per al medi ambient.

XXI. La revolució de la sostenibilitat dependent: biomassa i catàlisi heterogènia

L'economia i l'estil de vida sostenibles se centren en la font dels productes actuals i en el seu procés d'elaboració. No obstant això, els nostres sistemes de producció es basen principalment en els orígens fòssils: petroli, gas natural o carbó. Per tant, aquest sistema dificulta totalment l'execució sostenible d'aquests indicadors. Davant aquesta manca, s'ha realitzat un estudi que combina la biomassa amb la catàlisi heterogènia com a alternativa: D'una banda, una font renovable i, per un altre, una via adequada per a reduir la toxicitat de molts corrents.

El petroli és la principal font actual i l'objectiu d'aquest treball és obrir nous camins a la biomassa que genera la pròpia terra. Quant a la definició, la biomassa és energia solar concentrada. Després de complexos processos enzimàtics, emmagatzema aquesta energia en forma de carboni. La fossilització ha conduït a la formació de petroli i alguns compostos al llarg de milions d'anys (veure figura 1). L'objectiu d'aquesta recerca és aprofitar la biomassa “jove”.

Els experts han identificat 30 compostos principals procedents de la biomassa. Entre ells es troba el fural, eix d'aquest estudi. El furfural es pot obtenir en l'actualitat mitjançant un procés desenvolupat industrialment i s'utilitza en la fabricació de diverses resines, productes farmacèutics i lubrificants. la Xina és el principal productor. En aquest país, la falta de regulació causa enormes danys mediambientals. La principal font de problemes és l'ús de catàlisis homogènies, en aquest cas àcid sulfúric o àcid fosfòric. L'estudi se centra en la síntesi de catàlisis heterogènies per a la conversió de la biomassa en furfural.

El fet que un material sigui heterogeni significa que la fase principal en la qual es produeix la reacció i el catalitzador es troben en diferents estats, és a dir, la reacció en fase líquida/gasosa i el catalitzador en fase sòlida (Figura 2). En aquests casos, la reacció només es produeix en contacte amb el catalitzador. Els catalitzadors heterogenis poden classificar-se, en la majoria dels casos, en funció de les seves propietats: modificant les propietats físiques de tot el material (en la majoria dels casos, la grandària dels porus) i canviant la naturalesa dels centres actius de la capa.

L'essència de la catàlisi heterogènia consisteix a classificar les molècules en funció de la seva grandària. Per a això es necessiten materials de gran capa. Això s'aconsegueix utilitzant materials porosos (tipus esponja). Prenguem com a exemple el fural: en aquest cas partim del sucre anomenat xilosa, que sofreix una reacció de deshidratació per a convertir-lo en furfural. Per descomptat, perquè es produeixi la reacció, aquest sucre ha d'arribar al punt de conversió. Per a això ha estat necessari dissenyar una estructura porosa adequada, tenint en compte que la xilosa té una grandària de 0,72 nm. Si els porus són massa grans es poden formar productes no desitjats. D'altra banda, l'optimització de la grandària del porus facilita notablement la producció del furfural (veure segona part de la figura 3). Els resultats mostren que la variació de la temperatura de síntesi del material en 10 °C produeix canvis decisius en les propietats físiques. Un dels principals resultats és la detecció de la grandària porosa més adequada d'un catalitzador àcid format per silici.

Amb la finalitat de modificar periòdicament un únic paràmetre, la segona part de l'estudi ha abordat la modificació de les propietats químiques dels materials composts per magnesi i fluor. Sobre la base de materials amb propietats físiques molt similars, s'ha desenvolupat un procediment de síntesi per a modificar la quantitat i naturalesa dels centres químics. En aquest cas s'han trobat diferents vies per a obtenir el furfal. Els centres àcids forts permeten el camí directe, mentre que els febles defineixen la via de reacció que es dóna a través de la formació de diferents compostos intermedis. Lògicament, tots dos casos han donat diferents rendiments de producte, i sobretot s'han identificat centres que han accelerat la velocitat de reacció. La quantitat de tots dos centres ha variat entre 0 i 100% i els resultats han permès sintetitzar un catalitzador que conté una quantitat òptima.

Una dels avantatges d'aquests catalitzadors heterogenis és que faciliten la separació després de la reacció. Una vegada realitzades aquestes reaccions en fase líquida, s'ha aconseguit filtrar i recuperar el catalitzador sòlid. A més, per a avaluar la viabilitat d'aquest procés, s'han reutilitzat el catalitzador obtenint els mateixos valors de rendiment obtinguts anteriorment. D'aquesta forma s'ha aconseguit evitar problemes de separació amb catalisis homogènies i dissenyar un procés més “verd”.

Tal com ha conclòs el treball, la catàlisi i la tecnologia desenvolupades poden suposar la valoració de molts processos que avui dia no són viables i aconseguir un nivell de sostenibilitat més elevat, a més d'oferir la possibilitat de continuar fent passos que el medi ambient ens agrairà enormement.

Referències