La catálisis en las reacciones químicas: hacia un futuro sustentable

En la actualidad, aproximadamente en el 90% de los procesos de transformación que se realizan en la industria química, se emplea algún tipo de catalizador.

De las aportaciones que el doctor Jaime Sánchez Valente ha hecho con su trabajo de investigación a la industria de refinación del petróleo y la petroquímica, destacan el catalizador o aditivo para la reducción de emisiones de óxidos de azufre y el catalizador para la deshidrogenación oxidativa de etano.

Academia Mexicana de Ciencias

Los catalizadores son sustancias que aceleran y/o dirigen una reacción química hacia un producto deseado sin consumirse en el transcurso de la reacción, lo que contribuye a que los procesos sean más sustentables, ya sea porque se reduce la cantidad de desperdicios generados o porque la energía necesaria para una reacción química es menor.

Durante la conferencia “Pasado y presente de la catálisis hacia un futuro sostenible”, el doctor Jaime Sánchez Valente, de la Gerencia de Desarrollo de Materiales y Productos Químicos del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP), presentó algunos aspectos fundamentales de la catálisis, como son los tipos de catalizadores y algunos antecedentes de procesos catalíticos históricos.

En cuanto al pasado de la catálisis, el investigador explicó que el proceso catalítico más antiguo conocido por el hombre es la fermentación alcohólica, el cual es llevado a cabo por las enzimas de las levaduras; sin embargo, fue hasta 1836 cuando el científico Berzelius acuñó el término catalizador.

– “El proceso catalítico Haber-Bosch para la producción de amoniaco –que fue el primero que se realizó a escala industrial– permitió la síntesis de urea, un fertilizante fundamental para la industria agroalimentaria. Durante la Segunda Guerra Mundial, la catálisis tuvo importante auge debido a la necesidad de producir a gran escala productos como combustibles y polímeros”, dijo Sánchez Valente, ganador del Premio de Investigación de la Academia Mexicana de Ciencias 2007, en el área de ingeniería y tecnología”.

El doctor Jaime Sánchez Valente impartió la conferencia "Pasado y presente de la catálisis hacia un futuro sostenible", en el Instituto Mexicano del Petróleo, como parte del Ciclo de Conferencias "Premios de Investigación de la AMC" (Foto: AMC/Elizabeth Ruiz Jaimes).
El doctor Jaime Sánchez Valente impartió la conferencia «Pasado y presente de la catálisis hacia un futuro sostenible», en el Instituto Mexicano del Petróleo, como parte del Ciclo de Conferencias «Premios de Investigación de la AMC» (Foto: AMC/Elizabeth Ruiz Jaimes).

Procesos amigables con el ambiente

La catálisis se divide en tres tipos: enzimática, que se realiza en procesos biológicos; homogénea, en la cual los reactivos y el catalizador se encuentran en la misma fase, ya sea líquida o gaseosa; y heterogénea, en la que los reactivos y el catalizador se hallan en diferente fase, es decir, el catalizador es un sólido y los reactantes son líquidos o gaseosos.

Una de las líneas de estudio de Sánchez Valente es la catálisis heterogénea aplicada en distintas áreas, y entre las aportaciones de su grupo de investigación a la industria de refinación del petróleo y la petroquímica, destacan el catalizador o aditivo para la reducción de emisiones de óxidos de azufre en el proceso de craqueo catalítico (FCC) y el catalizador para la deshidrogenación oxidativa de etano (ODH).

El proceso de craqueo catalítico, conocido comúnmente como FCC, se basa en la ruptura de cadenas largas de hidrocarburos mediante la acción de un catalizador zeolítico, el cual permite obtener hidrocarburos más ligeros y de alto valor agregado como son gasolina, diésel, naftas, butano, gas LP y propileno.

El proceso FCC emplea un catalizador zeolítico ácido en una matriz a base de alúmina y otros componentes. Las propiedades ácidas, así como el tamaño de poros y el área específica de la alúmina juegan un rol importante en la actividad y tiempo de vida del catalizador de FCC, “por lo que mi trabajo se centró en controlar algunas propiedades como la cristalinidad, el tamaño de los poros, la cantidad de sitios ácidos y el tipo de acidez con el fin de conocer su efecto en el desempeño catalítico”.

El proceso FCC, añadió, contribuye con el 7% de las emisiones globales de óxidos de azufre, por lo que agregar un aditivo de los compuestos derivados de hidrotalcitas es una forma de reducir estas emisiones ya que no altera el funcionamiento del catalizador principal.

CATALIZAR NITROGENOSe podría decir que la principal función de los compuestos derivados de hidrotalcitas es la de hacer que el FCC sea amigable con el ambiente. Al respecto, junto con su grupo de colaboradores, el doctor en química Sánchez Valente desarrolló un proceso industrialmente viable, económico y amigable con el ambiente para la producción de derivados tipo hidrotalcitas en general y de un aditivo en particular.

En lo que se refiere al catalizador para la deshidrogenación oxidativa de etano (ODH), tema en el que el científico ha trabajado durante cinco años, puede ser utilizado para reducir las emisiones de CO2 ya que el proceso térmico actual para producir etileno requiere temperaturas alrededor de los 800 grados centígrados, lo cual implica la quema de grandes cantidades de combustible y por ende la liberación de 1.2 tonelada de CO2 por tonelada de etileno producida, y además se genera una gran cantidad de subproductos.

En cambio, el proceso ODH requiere temperaturas mucho más bajas -entre 300ºC y 400ºC-, además de ser más selectivo, por lo que las emisiones contaminantes se reducen significativamente.

Además, “la importancia de este proceso radica en la cantidad y tipo de productos que se obtienen, porque el etileno es considerado como la ‘columna vertebral’ de la industria petroquímica”, señaló el investigador en el marco del Ciclo de Conferencias “Premios de Investigación de la AMC”.

En la actualidad, Jaime Sánchez Valente, especializado en catálisis y fisicoquímica de interfaces, tiene bajo su cargo diversos proyectos de investigación, entre los que se encuentran el desarrollo de nuevos productos químicos para la recuperación mejorada de hidrocarburos, el desarrollo de fotocatalizadores para la degradación de contaminantes acuosos y la obtención de películas delgadas semiconductoras.