Procesamiento directo de carbón en olefinas (el fin del metanol a partir del carbón y del metanol para producir olefinas)

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　Recientemente, el equipo liderado por el académico Bao Xinhe y la investigadora Pan Xiulian del Instituto de Química Física de Dalian, perteneciente a la Academia China de Ciencias (en lo sucesivo, “Instituto de Química Física de Dalian”), logró revolucionar el método F-T, que se ha utilizado en la industria del carbón durante más de 90 años. En lugar de ello, utilizaron directamente el gas sintético producido por la gasificación del carbón (una mezcla de CO y H2, después de ser purificado). Con la ayuda de un nuevo tipo de catalizador compuesto, lograron obtener olefinas de bajo contenido de carbono mediante una reacción en una sola etapa, con alta selectividad. Los resultados de esta investigación fueron publicados el 4 de marzo en la revista estadounidense Science. El proceso de reacción ya ha sido registrado como patente en China y también como patente internacional PCT. Este logro fue calificado por sus pares como «un avance histórico y trascendental en el campo de la conversión del carbón». La investigación relacionada con este resultado contó con el apoyo de fondos como el **Fondo para las Ciencias Naturales (21321002, 21425312, 21222305, 91545204)**. 　　Los científicos alemanes Fischer y Tropsch inventaron en 1923 el proceso F-T, mediante el cual se pueden producir productos químicos de alto contenido en carbono y combustibles líquidos a partir del carbón y del gas sintético. Aunque este proceso no es perfecto —por ejemplo, además de generar grandes cantidades de dióxido de carbono, también consume una gran cantidad de agua; además, la selectividad de los productos es baja y el tratamiento posterior requiere mucha energía—, 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: ellos han abandonado el método de producción de hidrógeno mediante conversión de agua en 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 olefinas de bajo contenido de carbono de manera altamente selectiva. Cuando la tasa de conversión unidireccional 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 del proceso tradicional de síntesis Fischer-Tropsch, según el cual la selectividad para los olefinos de bajo contenido de carbono era de máximo 58% (el límite de Schulz-Flory). 　　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 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; a veces, incluso 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 por la descomposición del CO en la superficie del catalizador metálico. Este valioso hidrógeno se obtiene a través de la conversión de agua y gas (CO + H2O → H2 + CO2). Este proceso es muy energéticamente costoso, además de generar 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 defectuosos de oxígeno no permanecen en la superficie del catalizador ni participan en reacciones de polimerización en dicha superficie. En lugar de eso, 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, es posible modificar de manera controlada las moléculas del producto. 　　Este avance consiste en reemplazar el H2 por CO, con el fin de 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 una gran cantidad de energía y agua. En esencia, esto abre un nuevo camino para la conversión del carbón, uno en el cual no se necesita agua (no existe un ciclo de agua en su estructura). Al mismo tiempo, mediante una combinación creativa de catalizadores óxidos y zeolitas, se logró separar de manera eficaz los dos centros de actividad catalítica: la activación del CO y el acoplamiento de los intermediarios. De este modo, los “radicales libres” que, en la tecnología Fertó tradicional, crecen de forma desordenada y sin control, fueron encerrados dentro de una “jaula” (la zeolita). Al restringir su comportamiento, se logró que finalmente se convirtieran en los productos deseados: olefinas de bajo contenido de carbono. Se resolvió el problema del “balancín” en las reacciones catalíticas tradicionales, donde la actividad y la selectividad se ven afectadas de manera opuesta, lo que proporciona una guía para el diseño de catalizadores eficientes y de procesos catalíticos. 　　El proceso de las nuevas invenciones no solo permite ahorrar agua y reducir las emisiones de CO2 en el proceso productivo (al acortar los ciclos y disminuir el consumo energético), sino que también genera importantes beneficios económicos. Según la evaluación preliminar de China Petrochemical Engineering Corporation (SEI), bajo las condiciones actuales, la tasa interna de retorno (IRR) de este proceso puede superar el 14%. Numerosas compañías químicas, tanto nacionales como internacionales, están muy interesadas en la mayor aplicación y difusión 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 cuanto antes una demostración a escala industrial y la industrialización de este resultado innovador, transformándolo así en una verdadera fuerza productiva. 　　Solo para llevar a cabo este estudio, el equipo invirtió más de nueve años, colaborando con diversas instituciones de investigación nacionales, incluido el Source de Radiación Sincrónica de Hefei. Para ello, utilizaron diversos dispositivos de investigación de alta tecnología desarrollados por ellos mismos.