A través da catálisis heteroxénea en busca da sustentabilidade

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. e XX. A revolución industrial dos séculos XIX trouxo consigo non só novos produtos senón tamén cambios nos procesos de fabricación dos mesmos. O ferro e o aceiro son os compostos que máis forza tomaron nesta revolución; con todo, o petróleo é a fonte que permitiu transformar a gama de produtos máis ampla posible. A maior parte do petróleo, refinado, como a gasolina, o gasóleo e o queroseno, destínase ao mercado enerxético, mentres que gran parte destínase á fabricación de lubricantes e asfaltos. A produción de plásticos é outra das revolucións relacionadas co petróleo. As propiedades principais dos plásticos son a adaptabilidad e a resistencia química, sobre todo tendo en conta o seu baixo peso. Pero que factores ou circunstancias fan que o cru se converta en tantos produtos?

A importancia da catálisis

Sen dúbida, a natureza dun produto depende dos seus antecedentes, é dicir, da súa estrutura molecular. Un dos exemplos máis claros son os polímeros, nos que os mesmos monómeros unidos por filas poden formar una estrutura polimérica dunha determinada lonxitude. Basicamente, a estrutura química é a mesma, pero como xa se comentou anteriormente, ao converterse nunha cadea longa, estes polímeros adquiren propiedades adicionais. Ademais das condicións de reacción (temperatura, presión, fluxos, etc.). ), a natureza do catalizador adoita ser un dos factores que determina a viabilidade dun produto. O termo “catalisi” foi utilizado por primeira vez polo investigador Berzelius en 1836. Con todo, a catálisis utilizábase tamén en procesos de fermentación antigos como a produción do viño. A pesar de que os usuarios de entón non tiñan coñecemento deste concepto, o composto que axudaba a acelerar a fermentación e a obter un determinado produto era un biocatalizador.

Os catalizadores pódense clasificar en función da súa natureza física e química. Os biocatalizadores son catalizadores de orixe biolóxica (encimas en xeral). Tamén se utilizan industrialmente paira a produción de alimentos (pan, Saccharomyces cerevisae) ou combustibles (bioetanol procedente da cana de azucre en Brasil). A complexidade das encimas permite conducir reaccións máis difíciles que en moitos procesos químicos. Con todo, tendo en conta a demanda de consumo nos países occidentais, o principal inconveniente radica na baixa velocidade de produción ou na desaparición de principios activos, especialmente en comparación cos procesos termoquímicos.

Para que a velocidade de reacción sexa o máis rápida posible, nas últimas décadas desenvolvéronse moitos catalizadores de orixe mineral como o ácido sulfúrico ou o hidróxido sódico. Por último, cambiando a composición química dos catalizadores, ademais de acelerar a formación dos diferentes produtos, pódese conseguir que o proceso se dirixa a un determinado produto a un prezo alcanzable. Un dos exemplos máis claros da catálisis química é a combustión do fume dos coches. De feito, na composición do fume dos coches xéranse diversos compostos de hidrocarburos e nitrogenados. Paira reducir o seu grao de contaminación adóitanse utilizar catalizadores químicos formados por diferentes metais, na maioría dos casos en forma sólida.

Na industria, pola súa banda, utilízase una catalisis homoxénea paira elaborar a maior parte dos compostos. O contacto entre dous líquidos ou dous gases permite una catálisis homoxénea entre dúas fases iguais. Por suposto, os principais inconvenientes, ademais de ter una baixa renovables, son os problemas derivados do proceso. A oxidación da instalación e a separación do produto/catalizador provocan un aumento dos custos de todo o sistema e, en particular, a xeración de moitas correntes tóxicas tan contaminantes paira o medio ambiente.

XXI. A revolución da sustentabilidade dependente: biomasa e catálisis heteroxénea

A economía e o estilo de vida sustentables céntranse na fonte dos produtos actuais e no seu proceso de elaboración. Con todo, os nosos sistemas de produción baséanse principalmente nas orixes fósiles: petróleo, gas natural ou carbón. Por tanto, este sistema dificulta totalmente a execución sustentable destes indicadores. Ante esta carencia, realizouse un estudo que combina a biomasa coa catálisis heteroxénea como alternativa: Por unha banda, una fonte renovable e, por outro, una vía adecuada paira reducir a toxicidade de moitas correntes.

O petróleo é a principal fonte actual e o obxectivo deste traballo é abrir novos camiños á biomasa que xera a propia terra. En canto á definición, a biomasa é enerxía solar concentrada. Tras complexos procesos encimáticos, almacena esta enerxía en forma de carbono. A fosilización conduciu á formación de petróleo e algúns compostos ao longo de millóns de anos (ver figura 1). O obxectivo desta investigación é aproveitar a biomasa “nova”.

Os expertos identificaron 30 compostos principais procedentes da biomasa. Entre eles atópase o fural, eixo deste estudo. O furfural pódese obter na actualidade mediante un proceso desenvolvido industrialmente e utilízase na fabricación de diversas resinas, produtos farmacéuticos e lubricantes. China é o principal produtor. Neste país, a falta de regulación causa enormes danos ambientais. A principal fonte de problemas é o uso de catálisis homoxéneas, neste caso acedo sulfúrico ou ácido fosfórico. O estudo céntrase na síntese de catálisis heteroxéneas paira a conversión da biomasa en furfural.

O feito de que un material sexa heteroxéneo significa que a fase principal na que se produce a reacción e o catalizador atópanse en diferentes estados, é dicir, a reacción en fase líquida/gasosa e o catalizador en fase sólida (Figura 2). Nestes casos, a reacción só se produce en contacto co catalizador. Os catalizadores heteroxéneos poden clasificarse, na maioría dos casos, en función das súas propiedades: modificando as propiedades físicas de todo o material (na maioría dos casos, o tamaño dos poros) e cambiando a natureza dos centros activos da capa.

A esencia da catálisis heteroxénea consiste en clasificar as moléculas en función do seu tamaño. Paira iso necesítanse materiais de gran capa. Isto conséguese utilizando materiais porosos (tipo esponxa). Tomemos como exemplo o fural: neste caso partimos do azucre chamado xilosa, que sofre una reacción de deshidratación paira convertelo en furfural. Por suposto, para que se produza a reacción, este azucre debe chegar ao momento de conversión. Paira iso foi necesario deseñar una estrutura porosa adecuada, tendo en conta que a xilosa ten un tamaño de 0,72 nm. Se os poros son demasiado grandes pódense formar produtos non desexados. Por outra banda, a optimización do tamaño do poro facilita notablemente a produción do furfural (ver segunda parte da figura 3). Os resultados mostran que a variación da temperatura de síntese do material en 10 ºC produce cambios decisivos nas propiedades físicas. Uno dos principais resultados é a detección do tamaño poroso máis adecuado dun catalizador acedo formado por silicio.

Co fin de modificar periodicamente un único parámetro, a segunda parte do estudo abordou a modificación das propiedades químicas dos materiais compostos por magnesio e flúor. En base a materiais con propiedades físicas moi similares, desenvolveuse un procedemento de síntese paira modificar a cantidade e natureza dos centros químicos. Neste caso atopáronse diferentes vías paira obter o furfal. Os centros acedos fortes permiten o camiño directo, mentres que os débiles definen a vía de reacción que se dá a través da formación de diferentes compostos intermedios. Loxicamente, ambos os casos deron diferentes rendementos de produto, e sobre todo identificáronse centros que aceleraron a velocidade de reacción. A cantidade de ambos os centros variou entre 0 e 100% e os resultados permitiron sintetizar un catalizador que contén una cantidade óptima.

Una das vantaxes destes catalizadores heteroxéneos é que facilitan a separación tras a reacción. Una vez realizadas estas reaccións en fase líquida, conseguiuse filtrar e recuperar o catalizador sólido. Ademais, paira avaliar a viabilidade deste proceso, reutilizáronse o catalizador obtendo os mesmos valores de rendemento obtidos anteriormente. Desta forma conseguiuse evitar problemas de separación con catalisis homoxéneas e deseñar un proceso máis “verde”.

Tal e como concluíu o traballo, a catálisis e a tecnoloxía desenvolvidas poden supor a valoración de moitos procesos que hoxe en día non son viables e alcanzar un nivel de sustentabilidade máis elevado, ademais de ofrecer a posibilidade de seguir dando pasos que o medio ambiente agradeceranos enormemente.

Referencias