¿Qué ocurriría si dos gases responsables del calentamiento global pudieran convertirse directamente en materias primas para fabricar productos químicos útiles?
Esa posibilidad está en el centro de una investigación de la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) que analiza las condiciones termodinámicas necesarias para transformar metano (CH₄) y dióxido de carbono (CO₂) en compuestos de interés industrial como ácido acético, etanol, dimetil éter y acetona.
El trabajo, publicado en Chemical Engineering Journal Advances, ha sido desarrollado por Elena Montejano Nares, Ángel Maroto Valiente, Esther Asedegbega Nieto y Francisco Ivars Barceló, investigadores del Departamento de Química Inorgánica y Química Técnica de la Facultad de Ciencias de la UNED.
La idea resulta especialmente atractiva porque plantea cambiar la consideración de estos gases: en lugar de tratarlos únicamente como emisiones que contribuyen al cambio climático, podrían convertirse en recursos y materias primas.
“La principal ventaja por encima de cualquier otra es que el metano y el dióxido de carbono empezarían a ser considerados recursos o materias primas valiosas, y dejarían de ser tratados como residuos que se emiten descontroladamente a la atmósfera en perjuicio de nuestro planeta”, explica Francisco Ivars-Barceló, investigador de la UNED y coautor del estudio. Pero convertir esa idea en una tecnología útil no es sencillo.
El reto de transformar metano y CO₂ sin pasar por el gas de síntesis
El metano y el dióxido de carbono contienen elementos que pueden utilizarse para construir moléculas más complejas. El problema es conseguir que esa transformación ocurra de manera eficiente y controlada.
Una de las vías más estudiadas para aprovechar conjuntamente ambos gases consiste en convertirlos primero en gas de síntesis, una mezcla formada principalmente por monóxido de carbono e hidrógeno. A partir de ella pueden fabricarse posteriormente diferentes productos químicos.
Es una tecnología conocida y consolidada, pero tiene un inconveniente: ese paso intermedio requiere una cantidad importante de energía y añade costes al proceso.
La investigación de la UNED estudia una alternativa más directa: hacer reaccionar el metano y el dióxido de carbono para obtener en un único proceso compuestos orgánicos oxigenados de mayor valor.
Entre ellos se encuentran cuatro productos con aplicaciones industriales y potencial energético: ácido acético, acetona, etanol y dimetil éter.
Qué dice la termodinámica sobre estas reacciones
Para averiguar hasta qué punto estas transformaciones son posibles, el equipo ha utilizado Aspen Plus, un programa especializado en simulación de procesos químicos.
Los investigadores han estudiado cómo se comportan las reacciones en un amplio intervalo de condiciones, con temperaturas de entre 300 y 1.000 kelvin y presiones de entre 1 y 150 atmósferas. También han analizado qué ocurre cuando intervienen sustancias como oxígeno y agua y cuando aparecen reacciones paralelas.
Los resultados muestran que el camino no es sencillo. En condiciones ambientales y a baja presión, las cuatro reacciones estudiadas son endotérmicas y no espontáneas, lo que significa que presentan importantes barreras desde el punto de vista termodinámico.
Pero la situación puede cambiar cuando se modifica el entorno químico. La presencia de otros reactivos puede alterar la espontaneidad de las reacciones y modificar qué productos resultan favorecidos. También es importante controlar las reacciones secundarias que compiten con la formación de los compuestos buscados.
Los cálculos realizados por el equipo establecen además un orden de viabilidad termodinámica entre los cuatro productos: ácido acético, acetona, etanol y dimetil éter, de mayor a menor.
Cuando lo que debería ocurrir no es exactamente lo que ocurre
Aquí aparece una de las partes más interesantes de la investigación. La termodinámica permite conocer los límites y las condiciones generales que hacen posible una reacción, pero no determina por sí sola qué producto acabará predominando en un reactor real.
El equipo de la UNED ya había conseguido anteriormente transformar directamente metano y CO₂ mediante catálisis heterogénea térmica a temperaturas y presiones particularmente bajas.
En uno de esos experimentos utilizaron un nanocompuesto de AgPd₄-Fe₃-δO₄ como catalizador y obtuvieron principalmente acetona y dimetil éter, además de una menor proporción de ácido acético.
Sin embargo, los cálculos termodinámicos realizados ahora apuntan a que el ácido acético debería ser el producto más favorable. La aparente contradicción tiene una explicación: una reacción real no depende únicamente de la termodinámica.
También intervienen la cinética, las distintas rutas que puede seguir la reacción y, especialmente, el catalizador utilizado. Un catalizador puede favorecer determinados caminos químicos y hacer que el producto que finalmente se obtiene sea diferente del que parecería más favorable atendiendo únicamente al equilibrio termodinámico.
“Los resultados del estudio termodinámico teórico actual reafirman los resultados experimentales que ya habíamos obtenido y nos ayudan a entender caminos y mecanismos de reacción viables hacia la formación de algunos de estos productos”, señala Ivars-Barceló.
Del ordenador al reactor
La importancia del trabajo está precisamente en combinar simulación y experimentación. Los cálculos permiten identificar las condiciones en las que merece la pena buscar una determinada reacción y ayudan a descartar escenarios poco favorables antes de realizar experimentos más costosos.
“Estos resultados abren las puertas de par en par hacia la posibilidad real” de llevar este tipo de procesos hacia una aplicación práctica, afirma el investigador. Y añade que contribuyen también a justificar “la motivación de los investigadores y la inversión de las entidades para que esto suceda lo antes posible”. Pero todavía queda camino por recorrer.
Los propios investigadores advierten de que las simulaciones representan escenarios teóricos y no condiciones que puedan trasladarse directamente a la práctica experimental. La termodinámica indica qué transformaciones pueden ser posibles y bajo qué circunstancias, pero conseguir que se produzcan de forma rápida, selectiva, estable y económicamente viable requiere resolver otros problemas.
Uno de los grandes protagonistas de ese siguiente paso será la catálisis.
El siguiente paso: conseguir más producto y menos reacciones secundarias
El equipo trabaja ya en estrategias destinadas a aumentar tanto el rendimiento de la transformación del metano y el CO₂ como la cantidad de los productos que realmente interesan.
“Se están centrando en implementar estrategias para aumentar el rendimiento en la transformación del metano y el CO₂ y la selectividad hacia los productos de valor deseados. Estas estrategias se basan en el diseño de catalizadores más avanzados y en la búsqueda de condiciones de reacción óptimas”, adelanta Ivars-Barceló.
Uno de los problemas que muestran las simulaciones es precisamente la competencia entre diferentes rutas químicas. Por ejemplo, cuando se permiten determinadas reacciones que conducen a monóxido de carbono, la producción de dimetil éter puede reducirse aproximadamente a la mitad.
Eso demuestra que no basta con conseguir que el metano y el CO₂ reaccionen. El verdadero desafío es lograr que reaccionen de la manera que interesa.
Es la diferencia entre una reacción químicamente posible y una tecnología que pueda llegar algún día a ser útil a escala industrial.
¿Y si el carbono de las emisiones se convierte en materia prima?
La investigación de la UNED se sitúa dentro de un desafío científico y tecnológico mucho más amplio: aprovechar el carbono que actualmente llega a la atmósfera para fabricar productos que tienen utilidad económica.
La idea no consiste simplemente en capturar CO₂, sino en buscar maneras de incorporarlo a procesos productivos en los que pueda convertirse en nuevas moléculas.
En el caso estudiado por el equipo de la UNED, además, aparece el metano, un gas de efecto invernadero especialmente relevante, de modo que la investigación plantea aprovechar conjuntamente dos moléculas que actualmente están estrechamente vinculadas al problema del calentamiento global.
Todavía no se trata de una solución industrial lista para desplegarse. Antes habrá que mejorar los catalizadores, optimizar las condiciones de reacción, aumentar los rendimientos y demostrar que el proceso puede ser viable desde el punto de vista energético y económico.
Pero conocer qué permite la termodinámica, qué caminos bloquea y qué reacciones compiten entre sí constituye un paso necesario para avanzar.
Durante este proceso, Elena Montejano-Nares, primera autora del artículo, se encuentra además cerca de defender su tesis doctoral en la UNED, dirigida por Esther Asedegbega-Nieto y Francisco Ivars-Barceló. El trabajo está firmado también por Ángel Maroto-Valiente, investigador del Departamento de Química Inorgánica y Química Técnica de la Facultad de Ciencias de la UNED.
La investigación ha recibido financiación de la Agencia Estatal de Investigación (AEI) a través de los programas Ramón y Cajal y Consolidación Investigadora, así como de un proyecto de Generación de Conocimiento.
El objetivo final puede resumirse en una idea sencilla, aunque conseguirla sea extraordinariamente complejo: que dos gases que hoy asociamos al calentamiento del planeta puedan convertirse algún día en materias primas para fabricar moléculas útiles.
