domingo, 10 de marzo de 2013

El uso de fuentes vegetales pero raros catalizadores metálicos no nos llevará muy lejos.

Creditos: klar_rocks/Flickr.

La Tierra tiene recursos limitados y no están distribuidos de manera uniforme. Al utilizar fuentes de fácil acceso en minerales y combustibles fósiles, algunos de los pilares de la sociedad moderna corren riesgo puesto que cada vez son más raros y se vuelven excesivamente caros. Hasta lograr la fusión perfecta y la minería de asteroide sea una realidad, se pretende lograr esfuerzos para desarrollar prácticas sustentables.

En la reunión de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia, investigadores hablaron sobre el progreso que están haciendo cuando se trata de poner la química industrial en una senda sustentable. La opinión general del panel es que no es aún suficiente para cualquier parte de un proceso sostenible. El uso de un catalizador barato y fácilmente disponible para conducir reacciones que requieren combustibles fósiles no es suficiente. Sólo cuando hacemos cada paso del proceso sostenible, incluyendo lo que ocurre con los productos químicos cuando los hayamos obtenido, es posible hablar de avances.

El organizador de la sesión, UCSB Susannah de Scott , establece el alcance del problema. La química industrial necesita reconocer que tan sólo en EE. UU. consume una cuarta parte del consumo de energía. Metales como Ru, Te, Pd, Rh, Au, Pt, Re, Os, Ir son catalizadores fantásticos, pero son menos elementos comunes en la corteza terrestre en relación con el silicio. Princeton Paul Chirik añade algunos detalles más: el estilo de vida actual requiere algo así como 80 elementos diferentes. En este momento, 19 de ellos proceden exclusivamente de diferentes países.

Mientras que la oferta es un reto, la eliminación es un problema también. Stephen Miller de la Universidad de Florida, explica que, a nivel mundial, se producen más de 200 millones de kilogramos de plástico cada año. Muy poco de eso se recicla o se degradan de forma natural y esto nos deja con un problema de eliminación importante. La principal fuente de las materias primas utilizadas en estos plásticos son los combustibles fósiles, y están sujetos a los mismos precios caóticos que otros energéticos han enfrentado.

Carbón sustentable


Entonces, ¿qué podemos hacer en torno a estos desafíos? Miller está trabajando en la fabricación de plásticos sostenibles, tanto en su origen como en su disposición. Añade que, en estos momentos, la biomasa de la Tierra incorpora carbono equivalente a 1,000 veces la producción mundial de polímero cada año, pero sólo un cinco por ciento de la producción química está basada en la sustentabilidad. El uso de fuentes renovables de carbono se espera que aumente un 25 por ciento en 2030, y la obra de Miller puede ayudar a conseguirlo.

En este momento, la gran historia de éxito de los bioplásticos es el poli-láctico, o PLA. Puede ser fácilmente elaborado a partir de maíz, tiene las propiedades adecuadas para ser utilizadas en bolsas de plástico, y es, al menos en teoría, biodegradable. Por desgracia, para conseguir que se degrade, hay que calentar y someterlo a la trituración mecánica. Para evitar esto, el grupo de Miller ha introducido una segunda sustancia química sostenible para la polimerización, que forma un enlace acetal (Un enlace OCO) al polímero. Bonos de Acetal están presentes en la celulosa, y Miller razona que debe hacer al polímero resultante más fácil de romper. Él encontró que pierde alrededor de un dos por ciento de su masa dentro de los 45 días, y se metaboliza completamente en un periodo no mayor a seis años. Evidentemente, esto reducía el problema de los residuos.

Su grupo también está tomando ventaja de una compañía que ha descubierto la manera de convertir la lignina de la materia vegetal (un polímero complejo que ayuda a proporcionar una resistencia a la celulosa) en vainillina. Este último se puede utilizar como un bloque de construcción para los polímeros que contienen una rama con una estructura de anillo de benceno-like. Eso hace que sea similar a un polímero existente, PET, que se encuentra en las botellas de agua. Después de ajustar algunos parámetros de la química implicada, el equipo de Miller ha creado algo que tiene una temperatura de transición vítrea superior a PET, que le permitiría a contener líquidos calientes. Están esperando elevarla aún más para proporcionar un material que podría actuar como un reemplazo para el poliestireno.

Catalizadores baratos


La mayoría de estas reacciones, ya sea sostenible o no, requieren catalizadores que hagan posible la reacción, lo que les permite proceder en condiciones más suaves o asegurar que producen el producto deseado. Y, ahora, los catalizadores suelen provenir de metales de tierras raras, como los mencionados en la introducción. Chirik trabajo en deshacerse de ellos.

La ventaja de estos catalizadores, expresa, es de dos electrones que pueden donar a los reactivos, que son clave para la química orgánica interesante ¿La desventaja? Los metales como el platino cuesta más de 10,000 dólares por mol, y algunos inevitablemente se pierden en cada reacción. Pero los sistemas vivientes catalizan reacciones con metales como el hierro, que sólo tiene un electrón para donar y sólo cuesta unos 4 dólares por mol. El truco, Chirik agrega, se debe a que en los organismos complejos una molécula orgánica dona un electrón al hierro (normalmente un átomo de nitrógeno), haciendo que se comporte como si fuera un metal más costoso.

El cambio de catalizadores a base de hierro (o los realizados con otros metales baratos y abundantes) tiene el potencial de hacer que los procesos industriales sean mucho más sostenibles.

Chirik dio algunos ejemplos específicos de las reacciones que le gustaría arreglar. Uno de ellos consiste en romper un enlace doble carbono-carbono para formar un enlace a silicio, una reacción catalizada por platino. Cada año, $ 350 millones de dólares de platino se pierde en el polímero resultante, que se utiliza para cosas como la superficie antiadherente de sellos y etiquetas adhesivas. Chirik estima que 30 a 40 por ciento del coste de estas etiquetas proviene del platino dejado atrás en el respaldo. Pero su grupo ha desarrollado un catalizador de hierro-orgánico que es más activo que el platino y no produce productos secundarios no deseados, sino que también puede catalizar una amplia gama de reacciones más que el platino.

Hay una historia similar, con baja resistencia a la rodadura neumáticos, donde el catalizador de platino existente, crea el producto de reacción sólo 40 por ciento del tiempo. El reemplazo de hierro-orgánico da un rendimiento de 95 por ciento, y empuja la reacción directa sin necesidad de cualquier calor o la adición controlada de reactivos. El trabajo no se limita a hierro, el grupo de Chirik está trabajando con una compañía farmacéutica para desarrollar un catalizador de cobalto que produce una forma específica de un fármaco de quimioterapia.

Los volúmenes necesarios y la diversidad de reacciones utilizadas en química industrial significa que este trabajo es un buen paso hacia la sustentabilidad, pero es sólo un comienzo para poner el campo en conjunto sobre una base sostenible. Y las industrias químicas son inherentemente conservadores, ya que sus usuarios finales tienen requisitos específicos para cosas como las propiedades del material y la pureza. Las nuevas reacciones tendrá que ser validadas y ampliadas poco a poco. Sin embargo, la sesión deja claro que las barreras para la sostenibilidad no se encuentran en la propia química, simplemente en encontrar la química adecuada para hacer del camino la fuente a través de un catalizador verde.

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