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lunes, julio 4, 2022
 

Zeolitas: el compuesto que puede revolucionar la bioeconomía

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Para transformar nuestra economía basada en combustibles fósiles en una bioeconomía sostenible, debemos reemplazar los recursos fósiles con materias primas renovables. Pero el petróleo, materia prima de numerosos productos de la industria química , no se puede cambiar simplemente por madera, maíz y paja, ya que las plantas constan de tipos de moléculas completamente diferentes al «oro negro». Para impulsar automóviles y permitir la producción de una amplia gama de plásticos o medicamentos, las materias primas renovables primero deben someterse a una conversión química. Aquí la ayuda la proporcionan los catalizadores, es decir, sustancias que impulsan las reacciones químicas o las hacen posibles en primer lugar.

Uno de los catalizadores más prometedores para este propósito son las zeolitas, unos compuestos que contienen un catión que puede ser de aluminio o silicio y 4 átomos de oxigeno. Las zeolitas se encuentran en la naturaleza, por ejemplo, como minerales en formaciones rocosas, o se pueden producen sintéticamente. Son unos de los catalizadores más importantes de la industria química.

Desde la década de 1960, se vienen utilizando en las refinerías de petróleo para el craqueo, un proceso que consiste en dividir las cadenas largas de hidrocarburos en cadenas más cortas. También se utilizan, por ejemplo, como ingredientes en detergentes, en procesos de ablandamiento de agua y en sistemas de depósito de calor.

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Las zeolitas facilitan la transición a una bioeconomía al hacer posible convertir la biomasa en moléculas que la industria necesita desesperadamente. Sin embargo: «la investigación sobre las zeolitas ha llegado a un callejón sin salida», dijo Vitaly Sushkevich, científico del Laboratorio de Catálisis y Química Sostenible del Paul Scherrer Institute (PSI), el mayor centro de investigación de ciencias naturales e ingeniería de Suiza. Junto con sus colegas de PSI y de la universidad ETH Zurich, están trabajando para sacar adelante la investigación de la zeolita de este callejón sin salida.

No todo el aluminio es igual

Para desarrollar catalizadores para procesar biomasa en productos de interés para la sociedad, los investigadores de todo el mundo están trabajando en zeolitas que también contienen átomos de estaño, titanio o circonio. Sin embargo, su rendimiento no puede seguir mejorando. Por lo tanto, el equipo de Sushkevich recomienda volver a las zeolitas clásicas, que solo están compuestas de silicio, aluminio y oxígeno. «Son catalizadores muy eficientes», dice Sushkevich. «Lo especial es que pueden modificarse y adaptarse según sea necesario para fines específicos. Incluso pueden catalizar varias reacciones químicas en serie, una tras otra». En este caso, el producto deseado D se crea convenientemente a partir del material de partida A a través de los pasos intermedios B y C.

Los átomos de aluminio son un elemento importante de estas zeolitas. Originalmente, estos están firmemente anclados en la estructura de zeolita. Con calor y otras técnicas, pueden liberarse de este compuesto y así poder catalizar reacciones que son importantes para la bioeconomía.

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El candidato a doctorado en ETH Zurich, Manoj Ravi, analizó la literatura al respecto y encontró varias inconsistencias. «La forma en que los átomos de aluminio catalizan las reacciones es evidentemente mucho más complicada de lo que se pensaba», dice. Por ejemplo, no todos los átomos de aluminio se liberan completamente de la estructura del compuesto. En cambio, en dicha zeolita coexisten tres tipos diferentes de átomos de aluminio: los que todavía están atrapados en la estructura, los que están parcialmente desprendidos y los que están completamente separados. «Es importante distinguir estos tres tipos entre sí y no agruparlos».

Entender lo que está pasando

PSI también sintetiza las propias zeolitas y analiza sus estructuras, por ejemplo, con la ayuda de Swiss Light Source SLS. «Las mediciones en grandes instalaciones de investigación y con otras tecnologías modernas nos ayudan a comprender mejor la estructura de los importantes centros activos», dice Sushkevich. Los centros activos son las zonas en un catalizador donde tiene lugar la reacción.

Este enfoque podría ser útil no solo con la transición a la bioeconomía, sino también en el procesamiento de recursos fósiles clásicos, agrega el químico.

 
 
 
 
 
 
 

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