| Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. (URJC) |
| La reacción buscada |
Una nueva generación de catalizadores permite plantear mejores procesos químicos de producción y reciclado |
Sólo en 2000 la Unión Europea produjo 20 millones de toneladas de plásticos. El 70% de ellos acabará su vida útil en el vertedero, pero no su «vida química»: los plásticos pueden tardar milenios en degradarse. Los catalizadores que desarrolla el grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos, pensados para favorecer reacciones químicas específicas, podrían contribuir a evitarlo |
Mónica G. Salomone |
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Guillermo Calleja y David Serrano codirigen el grupo junto con otros dos catedráticos de Ingeniería Química del Departamento.
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Los catalizadores son compuestos que facilitan las reacciones químicas.
Las sustancias que deben reaccionar se enganchan químicamente a las
paredes del catalizador y éste ayuda a modificar la estructura de las
moléculas. En el mundo macroscópico un catalizador parecerá
simplemente arena, pero a escala de nanómetros es un material lleno de
«túneles», poroso, pensado para ofrecer mucha superficie disponible para
que se adhieran —«adsorban», en términos técnicos— los reactivos. Si
además el tamaño y la composición química de los poros pueden
cambiarse a voluntad, para que se adecúen a las moléculas que deben
reaccionar, los químicos habrán dado con su catalizador ideal.
Los materiales mesoestructurados del grupo de Ingeniería Química y
Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos, encabezado por Guillermo
Calleja y codirigido por los cuatro catedráticos de Ingeniería Química del
Departamento, cumplen esas cualidades. «Se trata de una nueva
generación de materiales porosos, con una superficie específica que
puede superar los 1000 metros cuadrados por gramo. Desde que se
descubrieron hace más de una década, sus aplicaciones han crecido
exponencialmente», explica Calleja. «La clave está en que los hacemos a
medida. El tamaño del poro puede variar entre 2 y 30 nanómetros, lo
cual permite que entre el tipo de molécula que tu quieres. Y la
composición química también la definimos nosotros. Eso abre la puerta a
una gran variedad de aplicaciones». Tantas y tan versátiles como la
mente de un investigador creativo: podrían desde aumentar la eficacia
de la síntesis de fármacos hasta destruir compuestos tóxicos o filtrar
contaminantes atmosféricos. El secreto de estos materiales se esconde
en su estructura a escala de nanómetros, esto es, de millonésimas de
milímetro. |
El reciclado químico descompone el plástico en sus sustancias químicas de origen, que pueden reutilizarse
para producir nuevos plásticos y compuestos no plásticos con otras aplicaciones
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Deshacer los plásticos |
«A la química se le echa la culpa de los problemas ambientales», dice Calleja, «pero también resuelve problemas creados no sólo por ella». Una
muestra es el reciclado químico de los plásticos. Actualmente sólo el 10
por ciento del plástico se recicla, y se hace «mecánicamente»: por ejemplo
fundiéndolo para volver a reutilizarlo como plástico. «Pero el producto
resultante es de peor calidad», explica José Aguado, uno de los miembros del grupo. «Un plástico reciclado mecánicamente sirve como
contenedor de basura, pero no como envase de alimentos».
Una alternativa es el reciclado químico. Su objetivo es descomponer el
plástico en sus sustancias químicas de partida, que pueden usarse para
producir de nuevo plásticos de igual calidad pero también compuestos no
plásticos con otras aplicaciones. Hay varias técnicas de reciclado
químico, pero caras y muy poco extendidas. «Aunque cuando se habla de
falta de rentabilidad se hacen mal los cálculos, porque no se contabilizan
los costes para la sociedad de los daños ambientales», resalta Serrano.
El grupo de Ingeniería Química es pionero en aplicar a este problema los
materiales mesoestructurados. «La idea es fabricar materiales con poros
grandes, de forma que permiten la entrada de las moléculas, también
grandes, de los plásticos», explica Serrano. La degradación del plástico
tiene lugar en los poros. Por lo pronto, la técnica ha funcionado en el
laboratorio, y Calleja es optimista: «Tiene todas las papeletas para
convertirse en uno de los métodos de mayor interés en el futuro. Como
concepto es ideal», afirma. |  Calleja y Aguado con dos jóvenes investigadoras de este grupo de la ESCET. | |
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Soportes porosos |
| Los materiales mesoestructurados también pueden servir de soporte al
catalizador, en vez de ser el catalizador en sí. Es lo que ocurre con el
óxido de titanio, un catalizador que facilita la destrucción con luz
ultravioleta de compuestos tóxicos como el cianuro. Pero el óxido de
titanio es un polvillo muy fino, que forma una masa difícil de filtrar una
vez acabada la reacción. Los investigadores han recurrido a una
ingeniosa solución: «recubrir» de óxido de titanio –el catalizador– las
paredes de los poros de un material mesoestructurado –que en este
caso sólo sirve de soporte– fabricado con óxido de silicio, o incluso
preparar el propio óxido de titanio directamente con estructura
mesoporosa, siendo en cualquier caso materiales que se eliminan más
fácilmente. «Además conseguimos más superficie para la reacción de
catálisis», señala Calleja. |
Los materiales mesoestructurados no sólo son útiles para degradar plásticos; también pueden ayudar
a fabricar nuevos plásticos de alta calidad
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El material mesoestructurado también sirve de soporte a catalizadores
que facilitan reacciones de alto valor añadido, como las propias de la
industria farmacéutica. En la síntesis de fármacos se requiere una alta
pureza en los compuestos; suele además ser un proceso complejo, con
muchos pasos. «Nuestros materiales contribuyen a que la reacción sea
más selectiva, que se forme la molécula que se quiere y no otros
productos secundarios. También, como el catalizador está soportado en
un sólido, se recupera más fácilmente, lo que simplifica y abarata el
proceso de síntesis», explica Rafael van Grieken, otro de los integrantes
del grupo. El truco consiste, como en el caso del óxido de titanio, en
anclar el catalizador a las paredes de los poros y fabricar éstos de tal
manera que sólo permitan la entrada a las moléculas que deben
reaccionar. |
El proceso inverso |
| Los materiales mesoestructurados no son sólo útiles para degradar
plásticos; también pueden ayudar a fabricarlos. En concreto, plásticos de alta calidad. En esta aplicación estos materiales «forman equipo» con otro
tipo de catalizadores llamados «metalocenos», conocidos con anterioridad,
pero poco utilizados industrialmente. Los metalocenos permiten crear
plásticos de gran calidad, pero los fabricantes aún no pueden usarlos
masivamente porque presentan el engorroso problema de su difícil
eliminación: forman con el plástico una masa viscosa que se pega al
reactor. |
Como explica Serrano, los metalocenos permiten controlar mejor las
propiedades de las moléculas del plástico, como su estructura o su peso
molecular, lo cual permite fabricar plásticos de gran calidad. Por ejemplo
un plástico de invernadero, que está sometido a una tensión, se romperá
más fácilmente si tiene irregularidades en su estructura química. «Pero
desde el punto de vista práctico es dificil emplear los metalocenos»,
aclara. «Nuestra idea es anclarlos a partículas de material sólido [el
material mesoestructurado], para que el plástico crezca a su alrededor».
El plástico se obtiene así en forma de partícula, no en una masa
pegajosa. |
Eliminar contaminantes |
| Otra de las aplicaciones de materiales mesoestructurados que ensayará
el grupo de Ingeniería Química es la eliminación (filtrado) y la recuperación
de los llamados «compuestos orgánicos volátiles», generados por los
disolventes y gasolinas y considerados muy tóxicos. «Queremos recuperar
los compuestos orgánicos volátiles por adsorción, con materiales
mesoestructurados», explica Calleja. |
El concepto básico es instalar lechos de material mesoestructurado
fabricado con el tamaño de poro y la naturaleza química correctas. «Por
ejemplo interesa que no adsorban agua, porque si se trata de eliminar
compuestos volátiles de la atmósfera y ésta contiene agua, el agua llena
los poros y el espacio que se reservaba para «cazar» (adsorber) a los
compuestos orgánicos volátiles queda ocupado». Estos lechos filtrarían los
contaminantes y permitirían su recuperación en procesos como el llenado
y vaciado de grandes tanques y, en general, en procesos donde se
liberen grandes cantidades de estos compuestos. |
Almacenar hidrógeno |
| Este tipo de materiales mesoporosos, con otra composición química,
también podría constituir una «excelente esponja» para absorber
hidrógeno, resolviendo uno de los problemas clave en el uso de este
elemento químico como combustible del futuro: su almacenamiento. |
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