Catalizadores mixtos disminuirían contaminación del aire

Los catalizadores de los vehículos aprovechan el calor de la combustión. Fotos: Sonia Moreno.

 

Con el uso de cobre, manganeso y cobalto en estos dispositivos se tendría una mayor eficiencia de catálisis (aceleración de reacciones químicas) que con los productos disponibles, y además los contaminantes se reducirían a CO2 y agua usando la temperatura más baja posible, en lo que se conoce como “mineralización completa”.

 

Así lo estableció el grupo de investigación Estado Sólido y Catálisis Ambiental (ESCA) de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), al encontrar que el uso de estos elementos impactaría la forma como se tratan los compuestos orgánicos volátiles (COV) presentes en muchos procesos industriales y domésticos, como en el humo del tabaco, los limpiadores, ambientadores, pinturas, adhesivos, cosméticos y motores de vehículos, entre otros.

 

Los COV en el ambiente pueden producir cáncer y smog fotoquímico. Foto: Archivo Unimedios.

 

En palabras de la profesora Sonia Moreno, del Departamento de Química de la UNAL, “estas sustancias suelen estar en la atmósfera o en espacios cerrados y son altamente contaminantes. Solo en partes por millón pueden generar cáncer y contribuir con el esmog fotoquímico, causado porque la luz reacciona con los contaminantes de la atmósfera creando químicos nocivos”.

 

Sonia Moreno, profesora del Departamento de Química de la UNAL.

 

Actualmente existen cinco procesos para la transformación de los COV: oxidación fotocatalítica, que usa luz para descomponer los elementos; adsorción, en la que los compuestos se adhieren a superficies sólidas; tratamientos biológicos, como en las aguas residuales; oxidación térmica, usada ampliamente en vehículos que aprovechan la temperatura de la combustión para transformar compuestos; y oxidación catalítica, en la cual se usan temperaturas más bajas que en la oxidación térmica y se ayuda con metales nobles, como oro o platino.

 

Sin embargo, el elevado precio de un gramo de esos metales –alrededor de 200.000 pesos colombianos– y que se desactivan con relativa facilidad, motivó al ESCA a buscar otros ayudantes, entre los cuales los más promisorios son cobalto, cobre y manganeso.

 

Balance entre magnesio y aluminio

 

“Hemos preparado catalizadores tipo óxidos mixtos, es decir que tienen varios metales, a través de un precursor que se denomina hidrotalcita, del tipo brucita, ya que una de sus características es su balance entre magnesio y aluminio”, explica la profesora Moreno.

 

Para entender el procedimiento basta con imaginar un tablero de ajedrez, en el que los cuadros negros y blancos forman una lámina. Básicamente lo que hace el grupo es tomar aluminio y magnesio –principal componente de la brucita– y crear esas láminas. Luego reemplazan algunas moléculas de esos metales por otros que les interesan, como cobalto, y los distribuyen en la lámina. Así, el tablero, que inicialmente solo tenía dos colores de cuadros, ahora tiene tres.

 

Cuando se obtienen esas láminas se prueban en un reactor construido en el laboratorio, que calienta las mezclas a altas temperaturas; los “humos” resultantes se analizan en un cromatógrafo de gases, en el que se determina si los componentes iniciales se desintegraron y se mide qué tanto CO2 se produjo.

 

Primeros resultados

 

Los investigadores encontraron que la hidrotalcita por sí sola no es útil para tratar COV como el tolueno, presente en detergentes o colorantes, o el butanol, usado en resinas y barnices. Cuando le agregaron cobalto, cobre, o ambos, encontraron que la actividad era superior, pero similar a los catalizadores comerciales de oro y platino.

 

Una hidrotalcita es una lámina compuesta de magnesio y aluminio a la que se le pueden agregar otros metales, como cobre.

 

La profesora Moreno subraya que “el proceso es exponencial: a medida que se aumenta la temperatura se logra más conversión. En el caso del manganeso empieza a bajas temperaturas, cercanas a los 150 oC, lo que es ideal, y en el caso de los ésteres, que son difíciles de transformar, como el acetato de etilo –empleado en esencias, lacas y perfumes– hubo eficacias similares frente a productos comerciales disponibles”.

 

Mejor efectividad

 

Sin embargo, como el grupo ESCA encontró que la selectividad aún era baja –cerca del 70 %– decidieron usar promotores para mejorarla. En el ejemplo del ajedrez esto quiere decir que se suman más colores al tablero. Típicamente se usan tierras raras, como el cerio o praseodimio, que ocupan el 1 % de la lámina.

 

Cuando la lámina tiene combinaciones de cerio, praseodimio, cobre, manganeso y cobalto, encontraron que la temperatura en la que se convierte el 50 % de los COV en CO2 y agua es de 216 °C, mientras que en catalizadores de oro y de platino es de 230 oC. Aunque parece poco, la energía necesaria para subir esos grados es significativa.

 

Hoy el grupo ha llegado a obtener un 95 % de catálisis completa y trabaja en determinar qué tan efectivos son sus candidatos en escenarios con presencia de varios COV o de agua, como en el caso del escape de las motocicletas.

 

Los gases que se producen con la oxidación catalítica se registran en aparatos que miden si los COV se convirtieron en CO2 y agua.

 

La investigadora Moreno concluye que hasta ahora han tenido buenos resultados y buscan catalizadores efectivos contra varios COV a la vez, y que actúen a bajas temperaturas para que tengan mayores beneficios para el medioambiente.

 

05 / 11 / 2020

Fuente:
Agencia de Noticias UNAL