Financiamiento por parte de PRODEP y FONDEC-UAQ (2020)

Responsable: Prof. Dr. Carlos Martín Cortés Romero

Co-responsables: Profa. Dra. María de los Ángeles Cuán Hernández
Prof. Dr. Rufino Nava Mendoza

Área de Materiales Avanzados & Nanoestructurados

Este laboratorio se crea como una naciente área de especialidad en nuestra universidad cuya raíz está estrechamente relacionada con la ingeniería de los procesos químicos. En esta área se pretende realizar el estudio, optimización y modelado de los dispositivos físicos (reactores) donde se llevan a cabo las transformaciones químicas con la finalidad de ofrecer soluciones integrales y conocimiento científico a clientes potenciales tanto de la academia como de la industria.

Muy particularmente, se puede mencionar que las reacciones a estudiar pertenecen a un área de la ingeniería denominada como Catálisis. Ésta se apoya en cuatro grandes pilares del método científico que son: Diseño y preparación de los catalizadores, Caracterización de los materiales por técnicas instrumentales y fisicoquímicas, Evaluación del desempeño de los catalizadores sintetizados utilizando dispositivos (reactores) acondicionados para este fin, así como Análisis y modelado de las reacciones evaluadas y del proceso global.

El objetivo primordial de esta área del conocimiento es ganar entendimiento de los fenómenos químicos involucrados en las reacciones catalíticas que, mediante una rigurosa aplicación del método científico, proporcione argumentos y criterios en la predicción del comportamiento de las reacciones estudiadas como una función del barrido de condiciones; así como que permita la optimización del funcionamiento de los reactores para, en la medida de lo posible, realizar un posible escalamiento del proceso estudiado a escala piloto o industrial. Para esta última parte, se cuenta con la infraestructura necesaria (herramientas y recursos informáticos) en nuestra facultad, así como el talento humano y experiencia que nos conduzcan a resultados confiables y de interés de los potenciales clientes del laboratorio.

GENERALIDADES DEL LIR&RC

La actividad industrial se distingue del resto del quehacer humano porque afecta significativamente el desarrollo de las sociedades, principalmente, aquella relacionada con la transformación de materias primas para obtener productos de mayor importancia y alto valor agregado. En la industria, de manera general, los procesos se apoyan en el conocimiento de la naturaleza química de las sustancias involucradas tanto como materia prima como producto a obtener. En particular, aquellos procesos en los que se involucran materiales promotores del mejoramiento de la calidad o rendimiento de los productos son los de interés del presente documento y de la naciente área de especialidad en nuestra universidad. Dichos procesos se denominan catalíticos y el material promotor se le conoce, lógicamente, como el catalizador. Adicionalmente, el papel de las condiciones de la reacción, y que son las condiciones a las que opera el reactor, son muy importante para lograr buenos rendimientos con un mínimo de inversión económica y energética. La operación del reactor está gobernada por los preceptos de la Ingeniería, de forma específica, Química (IQ). El aspecto clave de la IQ es que se revalora o se reinventa continuamente. Esto es, utiliza el conocimiento científico ganado en el estudio de las transformaciones químicas para proponer, evaluar, diseñar, aterrizar y escalar mejoras en los procesos establecidos, siempre en la búsqueda de obtener rendimientos económicos altos y disminuir los costos de producción.

De acuerdo a textos especializados¹, una de las características de la ingeniería de las reacciones y de los reactores químicos (IR&RQ) es la combinación e integración del estudio de los mecanismos de la reacción química con el diseño y construcción de los reactores. La selección de un sistema de reacción que opere de la forma más segura y eficiente puede ser la clave para el éxito o el fracaso económico de una planta industrial química. Por ejemplo, si un sistema de reacción produce una gran cantidad de producto indeseable, la purificación y separación subsecuentes del producto deseado ocasionarían que todo el proceso fuera no factible desde el punto de vista económico. Ejemplos de procesos en los cuales también se pueden aplicar los principios de la IR&RQ son: el tratamiento de desechos, la microelectrónica, nanopartículas y sistemas vivos, y las áreas tradicionales de manufactura de productos químicos y farmacéuticos.

La ingeniería de los procesos químicos industriales está apoyada en tres pilares de la ciencia y la tecnología (ver Figura 1): (1) las leyes que gobiernan el comportamiento de la materia, (2) las herramientas computacionales de análisis y control instrumental, así como (3) la generación de talento humano formados con alta calidad que terminan siendo especialistas de dichos procesos a escala industrial.

Figura 1. Fundamento de los procesos industriales.

Procesos químicos se encuentran en casi cualquier aspecto de la actividad humana y, de manera general, en cualquier ámbito de la naturaleza. Entender lo que sucede en estos procesos no es tarea fácil pues requiere un entrenamiento cuidadoso y exhaustivo inherente a la formación de profesionales de alta calidad o especializados. La ingeniería de los procesos y de las reacciones químicas implica realizar un análisis crítico y razonado de aspectos como cinética, transferencia de masa y energía, termodinámica y de la naturaleza química de las especies presentes en el mismo. La estrategia que se plantea en este proyecto de laboratorio de investigación está basada en un trabajo integral y colaborativo que permita establecer metodologías científicas encaminadas a generar profesionales con amplio conocimiento y expertise en el área de la catálisis. Se pretende, entonces, elaborar y validar metodologías experimentales que consideren el confeccionado del catalizador, su caracterización y evaluación del desempeño para que, al final, se propongan un modelo del sistema reaccionante que permita ganar conocimiento y predecir el efecto de las variables en el proceso y en los productos del mismo (ver Figura 2).

CASO DE ESTUDIO 1: OBTENCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS (SYNGAS).

Uno de las metas de estudio para el naciente LIR%RC se ha sido planteado a manera de proyecto de investigación (PRODEP, número de registro UAQ: 202004) y se refiere a la obtención de gas de síntesis (SYNGAS) a partir de metano y dióxido de carbono que, de manera esquemática, implica la siguiente reacción²:

CH₄  +  CO₂  =  2CO  +  2H₂  (∆H_298K  =  + 247 KJ mol^-1)

Para este estudio, se tiene un sistema reaccionante en fase heterogénea donde los reactivos están en fase gaseosa y el catalizador se fase sólida. El catalizador consiste en un cristal mixto de estroncio y hierro que ha sido preparado y caracterizado para este fin. Las pruebas de evaluación de desempeño de esta material se realizan en la unidad de pruebas y seguimiento de las reacciones catalíticas del LIC&RC en donde el dispositivo de reacción opera en modo por lotes en condiciones que será exploradas y optimizadas como parte del proyecto mencionado. Sobra decir que el interés de este estudio tiene una estrecha relación con los problemas ambientales (la presencia del gas invernadero CO2) así como la mejor utilización del metano presente en el gas natural (su concentración es mayor al 90% en volumen). De acuerdo a una revisión de publicaciones donde se presentan los aspectos termodinámicos, catalíticos y de las condiciones de la reacción mencionada3, se destaca que, para diseñar un catalizador viable que mantenga alta actividad y estabilidad, es necesario explotar los efectos sinergéticos entre metales nobles (como el oro y la plata) con otros de naturaleza diferente para formar sistemas catalíticos bi y trimetálicos, con alta actividad y estabilidad. También, se dice que los catalizadores tipo perovskita (óxidos mixtos de metales diversos) constituyen una alternativa viable, no solo desde un punto de vista económico, sino porque estos materiales tienen resistencia a envenenamiento y, por ende, mejor efectividad debido a su naturaleza misma.

 Figura 2. Secuencia lógica para el estudio de las reacciones catalíticas.

CASO DE ESTUDIO 2: HIDROGENACION DE COMPUESTOS AROMATICOS.

Otro aspecto que se pretende abordar por el LIR%RC es la hidrogenación de compuestos aromáticos utilizando catalizadores a base de metales nobles soportado en óxidos mixtos. Aquí, se pretende estudiar el comportamiento de los catalizadores preparados por nuestor LIR&RC realizando un estudio comparativo contra aquellos catalizadores utilizados en la industria. La manera de trabajar este proceso es utilizando un reactor operado en forma semicontinua en un sistema de tres fases donde el reactivo aromático modelo se encuentre en fase liquida (con hidrógeno en fase gas y el catalizador en forma sólida). El antecedente de esta reacción son trabajos publicados3 por el responsable del LIR&RC por lo que, lógicamente, se cuenta con la experiencia y el conocimiento necesarios para obtener esfuerzos bien dirigidos. La reacción es relativamente simple4 (ver Figura 3) y ha sido ampliamente estudiada en diversas publicaciones^5-7.

 Figura 3. Reacción de hidrogenación de naftaleno en presencia de catalizador de NiMo comercial⁴.

En donde el sistema reaccionante se encuentra en fase gas y las condiciones de reacción, de acuerdo a lo publicado, requieren altas presiones y temperaturas.

Referencias

1. H. S. Fogler (2008), Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas, 4ª ed., Pearson Educación, México.
2. N. A. K. Aramounia, J. G. Toumab, B. A. Tarbousha, J. Zeaitera and M. N. Ahmada (2018), Renewable and Sustainable Energy Reviews 82, 2570–2585.
3. C. M. Cortés-Romero, J. Thybaut, G. B. Marin (2008). Catalysis Today 130, 231–242.
4. C. M. Cortés-Romero (2007). Doctoral thesis defense presentation. University of Gent, Belgium.