Los catalizadores son sustancias que aceleran o facilitan reacciones químicas sin consumirse ni modificarse.
Estas sustancias versátiles se utilizan en diversos campos, incluida la química industrial, para impulsar reacciones químicas necesarias para la producción de materiales y productos esenciales.
Tabla de contenido
1. Comprensión de los catalizadores en química industrial
La química industrial implica reacciones químicas a gran escala que producen una amplia gama de materiales y productos, como combustibles, polímeros y productos farmacéuticos.
Estas reacciones a menudo requieren condiciones específicas, como alta temperatura y presión, que pueden consumir mucha energía y ser costosas.
Los catalizadores proporcionan una alternativa más sostenible y eficiente al reducir la energía de activación necesaria para que se produzcan reacciones químicas.
Como resultado, la reacción puede proceder a un ritmo más rápido y a temperaturas y presiones más bajas, lo que reduce el consumo y el costo de energía.
2. El papel de los catalizadores en el desarrollo sostenible
El papel de los catalizadores en el desarrollo sostenible es cada vez más importante a medida que la sociedad busca reducir el impacto ambiental de los procesos industriales.
Los catalizadores pueden promover reacciones químicas más eficientes, limpias y seguras, contribuyendo al logro de los objetivos de desarrollo sostenible.
2.1. Eficiencia energética
Los catalizadores pueden aumentar la eficiencia de los procesos de conversión de energía, como la producción de combustible de hidrógeno a partir de agua. Este proceso, llamado electrólisis, implica el uso de una corriente eléctrica para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno.
Los catalizadores, como el platino o el iridio, pueden reducir la cantidad de energía necesaria para dividir el agua, haciendo que el proceso sea más eficiente y rentable.
2.2. Reducción de desperdicios
Los catalizadores también pueden reducir la cantidad de residuos generados en los procesos químicos.
Por ejemplo, la producción de botellas de plástico de tereftalato de polietileno (PET) requiere el uso de un catalizador para promover la reacción entre el etilenglicol y el ácido tereftálico.
El catalizador, llamado trióxido de antimonio, es tóxico y difícil de eliminar. Los científicos han desarrollado catalizadores alternativos, como el circonio y el estaño, que son menos tóxicos y más fáciles de reciclar, lo que reduce el impacto medioambiental de la producción de PET.
2.3. Combustibles más limpios
Los catalizadores también pueden promover la producción de combustibles más limpios, como el gas natural y el propano.
Estos combustibles emiten menos contaminantes que los combustibles fósiles tradicionales, contribuyendo a la reducción de la contaminación del aire y de las emisiones de gases de efecto invernadero.
En la producción de estos combustibles se utilizan catalizadores, como el níquel o el platino, promoviendo las reacciones que convierten el gas natural o el propano en una forma líquida adecuada para el transporte.
2.4. Reciclaje químico
Los catalizadores también pueden promover el reciclaje de plásticos y otros materiales, reduciendo la cantidad de desechos enviados a los vertederos.
El reciclaje químico implica descomponer los plásticos en sus componentes químicos, que pueden usarse para producir nuevos materiales. Los catalizadores pueden acelerar este proceso, haciéndolo más eficiente y rentable.
Por ejemplo, los investigadores han desarrollado un catalizador que puede descomponer el polietileno, uno de los plásticos más comunes, en sus componentes básicos, lo que permite reutilizarlo en la producción de nuevos materiales.
3. Tipos de catalizadores utilizados en química industrial
Los tipos de catalizadores utilizados en la química industrial pueden variar según la reacción que se cataliza, las condiciones de temperatura y presión y el resultado deseado. A continuación se muestran algunos tipos comunes de catalizadores utilizados en química industrial:
3.1. Catalizadores homogéneos
Los catalizadores homogéneos están presentes en la misma fase que los reactivos y productos. Normalmente son solubles en la mezcla de reacción y a menudo se utilizan en reacciones en fase líquida.
Ejemplos de catalizadores homogéneos incluyen ácidos, bases y complejos de metales de transición. Los catalizadores homogéneos pueden proporcionar una alta selectividad y pueden ser muy eficientes ya que pueden acceder a todas las moléculas reactivas de manera uniforme.
Puede ser difícil separarlos de la mezcla de reacción y pueden causar problemas ambientales cuando no se eliminan de las corrientes de desechos.
3.2. Catalizadores heterogéneos
Los catalizadores heterogéneos están presentes en una fase diferente a la de los reactivos y productos. A menudo se utilizan en reacciones en fase gaseosa o en reacciones en fase líquida con un soporte de catalizador sólido.
Ejemplos de catalizadores heterogéneos incluyen catalizadores metálicos, tales como platino o paladio, y catalizadores de óxido metálico, tales como dióxido de titanio o zeolitas.
Los catalizadores heterogéneos se separan más fácilmente de la mezcla de reacción, lo que los hace más respetuosos con el medio ambiente, pero pueden sufrir de menor selectividad y actividad en comparación con los catalizadores homogéneos debido a la heterogeneidad de la superficie y las limitaciones del transporte de masa.
3.3. enzimas
Las enzimas son biocatalizadores que se utilizan en una amplia gama de procesos industriales, desde la producción de alimentos hasta la síntesis farmacéutica.
Son muy selectivos y eficientes, y pueden funcionar en condiciones suaves, como bajas temperaturas y presiones.
Las enzimas se utilizan normalmente en reacciones en fase de solución y pueden inmovilizarse sobre un soporte para mejorar su estabilidad y facilidad de separación.
Las enzimas pueden ser costosas y sensibles a las condiciones ambientales, lo que limita su uso en algunas aplicaciones industriales.
3.4. Fotocatalizadores
Los fotocatalizadores son catalizadores que se activan con la luz. Se pueden utilizar para promover una amplia gama de reacciones químicas, incluida la división fotocatalítica del agua para la producción de hidrógeno y la purificación fotocatalítica del aire para eliminar contaminantes del aire.
Los fotocatalizadores suelen ser heterogéneos e incluyen óxidos metálicos, como el dióxido de titanio, y semiconductores, como el óxido de silicio o de zinc.
El uso de fotocatalizadores puede verse limitado por su necesidad de luz y el potencial de fotocorrosión.
3.5. Biocatalizadores
Los biocatalizadores son enzimas o microorganismos que pueden catalizar reacciones en un sistema biológico. Se utilizan en diversas aplicaciones industriales, como la producción de plásticos biodegradables o la conversión de biomasa en biocombustibles.
Los biocatalizadores pueden ofrecer alta selectividad y eficiencia y pueden usarse en condiciones suaves.
Su uso puede estar limitado por la necesidad de un sistema biológico específico y la posibilidad de contaminación microbiana en la mezcla de reacción.
Referencias
> Zybert, M. Applied Catalysis in Chemical Industry: Synthesis, Catalyst Design, and Evaluation. Catalysts2023, 13, 607. https://doi.org/10.3390/catal13030607
> Corma, A. (2017). From microporous to mesoporous molecular sieve materials and their use in catalysis. Chemical Reviews, 117(4), 2331-2371.
> Hensen, E. J. M., & Pidko, E. A. (2013). The role of heterogeneous catalysis in the biorefinery of the future. Catalysis Today, 202, 139-153.
> Kuehnel, M. F., & Luska, K. L. (2018). Photocatalysis for industrial applications. Molecules, 23(6), 1545.
> Lefèvre, G., & Mendoza-Cortés, J. L. (2016). Efficient enzyme immobilization on nanostructured materials: strategies and applications. Chemical Reviews, 116(1), 216-247.
> Raja, R., & Bello, M. M. (2017). Enzyme catalysis in organic solvents: influence of water content and solvent type. Biocatalysis and Biotransformation, 35(4), 258-273.
> Sheldon, R. A. (2016). Green and sustainable manufacture of chemicals from biomass: state of the art. Green Chemistry, 18(4), 969-981.
> Snavely, K. (2018). Catalysts: The Scientific Method of Industrial Chemistry. Chemical & Engineering News, 96(38), 24-31.
> Van Santen, R. A., & Kramer, G. J. (2013). Catalysis: from principles to applications. Wiley-VCH.
> Zhang, Q., Sun, X., He, Q., & Zhang, G. (2019). Acid-base bifunctional heterogeneous catalysts for sustainable and efficient synthesis of value-added chemicals. Green Chemistry, 21(16), 4365-4391.
