Nature confirma un avance histórico en China en la producción de olefinas a partir del carbón: alta eficiencia y bajo consumo

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Nature confirma un avance histórico en la producción de olefinas a partir del carbón en China: alta eficiencia y bajo consumo. Autor/Fuente: Fecha: 07-03-2016. Número de visitas: 16. Recientemente, la revista internacional de prestigio Nature volvió a reconocer un importante avance tecnológico en China. El 4 de marzo, Bao Xinhe, representante del partido Ren, investigador en el Instituto de Química Física de Dalian, perteneciente a la Academia China de Ciencias (en lo sucesivo, “Instituto de Química Física de Dalian”), y miembro de dicha academia, reveló estos últimos resultados de investigación. 　　Se informa que el equipo liderado por el académico Bao Xinhe (actual vicerrector ejecutivo y profesor de la Universidad Fudan) y la investigadora Pan Xiulian ha logrado un avance significativo en la investigación sobre la producción directa de olefinas a partir de la gasificación del carbón. Este descubrimiento pone fin al método F-T, que se ha utilizado en la industria química basada en el carbón durante más de 90 años. Ellos abandonaron el proceso de conversión de agua y gas para producir hidrógeno, el cual requiere una gran cantidad de agua y energía. En su lugar, utilizaron directamente el gas sintético generado por la gasificación del carbón (una mezcla purificada de CO y H2). Con la ayuda de un nuevo tipo de catalizador compuesto, lograron obtener olefinas de bajo contenido de carbono en una sola reacción, con alta selectividad. De esta manera, resolvieron el problema de la relación entre actividad y selectividad en las reacciones catalíticas tradicionales, lo cual proporciona una guía para el diseño de catalizadores y procesos catalíticos más eficientes. Este logro fue considerado por la industria como un «avance histórico y trascendental en el campo de la conversión del carbón». Nature confirma un avance histórico en la producción de gas a partir del carbón en China: alta eficiencia y bajo consumo. El 4 de marzo, en Pekín, el académico Bao Xinhe presentó estos resultados en el Instituto de Física de la Academia China de Ciencias. 　　Los olefinos son una de las materias primas más importantes en la industria moderna. Los olefinas en nuestro país se obtienen principalmente a partir de la refinación del petróleo. Existen grandes costos y presiones ambientales relacionadas con esto. Por eso, la utilización de la química basada en el carbón como alternativa a la química petroquímica es una nueva vía que nuestro país ha explorado en los últimos años para el desarrollo energético. 　　Los resultados de esta investigación fueron publicados el 4 de marzo en la revista estadounidense Science. Se han presentado solicitudes para obtener patentes de invención en China y una patente internacional PCT. La revista Science publicó en el mismo número un artículo de opinión de expertos titulado “Sorprendidos por la selectividad”, en el que se sostiene que este proceso tendrá una gran competitividad en el ámbito industrial en el futuro. 　　En el año 1923, los científicos alemanes Fischer y Tropsch inventaron el proceso Fischer-Tropsch, que permite producir productos químicos de alto contenido en carbono y combustibles líquidos a partir del carbón, mediante la utilización de gas sintético. Aunque este proceso no es perfecto: además de generar grandes cantidades de dióxido de carbono, también consume una gran cantidad de agua; además, la selectividad de los productos resultantes es baja, y el tratamiento posterior requiere mucha energía. No obstante, la industria internacional de energía y química sigue considerando que este proceso es insustituible. 　　Hoy en día, este proceso ha sido revolucionado por los investigadores del Instituto de Química de Dalian, perteneciente a la Academia China de Ciencias. Ellos han abandonado el proceso de producción de hidrógeno mediante conversión de agua y gas, que requiere una gran cantidad de agua y energía, y en su lugar utilizan el gas resultante de la gasificación (después de ser purificado), para obtener de manera selectiva olefinas de bajo contenido de carbono. Cuando la tasa de conversión uno a uno del CO es del 17%, la selectividad de los productos de hidrocarburos de bajo peso molecular alcanza el 94%; en particular, la selectividad de los olefinos de bajo peso molecular (etileno, propileno y butileno) es superior al 80%. Se superó el límite tradicional del proceso de síntesis Fischer-Tropsch, según el cual la selectividad para los olefinos de bajo contenido de carbono era de máximo un 58% (límite SF). 　　El proceso tradicional F-T utiliza metales (en estado reducido) como catalizadores. Las moléculas de CO se disocian activamente en la superficie del catalizador metálico en átomos de C y O. Estos átomos reaccionan con el hidrógeno adsorbido en la superficie del catalizador, formando intermediarios de metileno (CH2), al mismo tiempo que se liberan moléculas de agua. Los intermediarios metílicos se polimerizan libremente en la superficie del catalizador, a través de reacciones de inserción por migración, generando productos hidrocarburínicos con diferentes números de átomos de carbono (desde uno hasta treinta, e incluso a veces cientos de átomos de carbono). La distribución del número de átomos de carbono en los productos hidrocarburíos resultantes de toda la reacción es amplia, y la selectividad del producto deseado es baja. Al mismo tiempo, este proceso requiere una gran cantidad de hidrógeno para eliminar los átomos de oxígeno que se generan debido a la descomposición del CO en la superficie del catalizador metálico. Este valioso hidrógeno se obtiene mediante la conversión de agua y gas (CO + H2O → H2 + CO2). Este proceso es muy consumidor de energía y, además, genera una gran cantidad de CO2. 　　El proceso desarrollado por los investigadores del Instituto de Química de Dalian utiliza óxidos compuestos parcialmente reducidos como catalizadores. Las moléculas de CO se adsorben en los sitios defectuosos de oxígeno del catalizador y se descomponen. Las moléculas de hidrógeno en fase gaseosa reaccionan selectivamente con los átomos de carbono resultantes de la descomposición, formando radicales de metileno. Por su parte, los átomos de oxígeno generados por la descomposición del CO en la superficie del catalizador tienden a reaccionar con otro CO, formando CO2. A diferencia del proceso F-T tradicional, los radicales metílicos que se generan en los sitios con defectos de oxígeno no permanecen en la superficie del catalizador ni participan en reacciones de polimerización en dicha superficie. En cambio, ingresan rápidamente en los canales del zeolita, donde tienen lugar reacciones de acoplamiento selectivo, lo que permite la formación dirigida de olefinas de bajo carbono. **Esto aumenta la selectividad del producto.** Mediante la regulación de los canales de los zeolitas y de sus propiedades ácidas, se puede lograr un ajuste controlado de las moléculas del producto. Nature confirma un avance histórico en la conversión del carbón en gas en China: eficiencia y bajo consumo de recursos. Este avance se logra al reemplazar el H2 por CO, lo que permite eliminar los átomos de oxígeno excesivos en la formación de hidrocarburos. De esta manera, se evita la reacción de conversión de gas de agua, que requiere mucha energía y agua. En esencia, se abre un nuevo camino para convertir el carbón con un bajo consumo de agua (sin necesidad de un ciclo de agua en el proceso). Esto responde satisfactoriamente a la pregunta que siempre ha preocupado al primer ministro: ¿es posible realizar la conversión del carbón sin usar agua o utilizandola en menor cantidad? 　　Al mismo tiempo, el equipo del académico Bao Xin logró, de manera creativa, combinar los catalizadores óxidos con los zeolitas. De este modo, fue posible separar eficazmente los dos centros de actividad catalítica: la activación del CO y la unión de los intermediarios. De esta forma, se logró controlar los “radicales libres” que, en la tecnología Fertó tradicional, crecen de manera desordenada e irrestricta, encerrándolos dentro de una “jaula” (las zeolitas). Al restringir su comportamiento, se logró que estos radicales se convirtieran en los productos deseados: olefinas de bajo contenido de carbono. Se ha resuelto el problema del “balancín” que existe en las reacciones catalíticas tradicionales, donde la actividad y la selectividad se ven afectadas de manera opuesta. Esto proporciona una guía para el diseño de catalizadores eficientes y de procesos catalíticos. 　　El proceso de la nueva invención del equipo del académico Bao Xin, además de permitir un ahorro de agua y reducir las emisiones de CO2 en el proceso (al acortar los procedimientos y disminuir el consumo energético), también conlleva importantes beneficios económicos. Según la evaluación preliminar de China Petrochemical Engineering Corporation (SEI), en las condiciones actuales, la tasa interna de retorno (IRR) de este proceso puede alcanzar más del 14%. 　　“La tecnología debe servir de apoyo para la ‘revolución energética’. ”Bao Xinhe manifestó que varias compañías químicas, tanto nacionales como internacionales, están muy interesadas en la expansión y aplicación futura de este proceso. Tras una evaluación y consultas cuidadosas, el Instituto de Química de Dalian ha llegado a acuerdos preliminares con importantes empresas químicas nacionales y reconocidas compañías químicas extranjeras. Juntos, trabajarán en la preparación de catalizadores y en el desarrollo de procesos industriales, con el objetivo de lograr una demostración industrial e industrialización lo antes posible, y así convertir este resultado innovador en una verdadera fuerza productiva. 　　Cuando el Dr. Schwab, experto de la empresa alemana BASF, que lleva más de veinte años investigando el proceso FTTO para la producción de olefinas, comprendió los principios básicos de este proceso, dijo con desánimo: “¿Por qué no se nos ocurrió a nosotros primero esta idea?” ”El académico Bao Xinhe respondió con orgullo: “Ya han tenido muchas ideas; ahora le toca el turno a nosotros”. 　　La confianza para decir esto proviene del esfuerzo constante de un excelente equipo de investigación a lo largo de décadas, así como de la creciente capacidad de China en investigación científica y tecnológica. Solo para llevar a cabo esta investigación, el equipo invirtió más de nueve años, colaborando con diversas instituciones de investigación nacionales, incluido el Centro de Radiación Sincrónica de Hefei. Además, utilizaron diversos dispositivos de investigación de alta tecnología desarrollados por ellos mismos. Durante este período, el equipo, además de presentar varias solicitudes de patentes de invención en China y patentes PCT internacionales, no publicó ningún artículo relacionado con sus investigaciones. 　　La investigación de los proyectos relacionados contó con el apoyo del **Comité Nacional de Fondos para las Ciencias Naturales, del Ministerio de Ciencia y Tecnología, y del programa de investigación estratégica de la Academia China de Ciencias. El título del texto original es: “Nature” confirma un avance histórico en la producción de gas a partir del carbón en China: alta eficiencia y bajo consumo. Seguramente está equivocado; debería ser olefinos a partir del carbón.