El poder de los catalizadores: La tecnología que sale al rescate del aire que respiramos

Por Dr. Santiago Iván Suárez Vázquez

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Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Civil, Departamento de Ingeniería Ambiental.

Monterrey, México, Agencia de Noticias 3er Sector.- En los últimos tiempos, incluyendo al Gobernador, Dr. Samuel García Sepúlveda, quien del 2018 hasta el 2021 fungía como senador, representando a Nuevo León, se ha comentado mucho acerca de la contaminación del aire en el estado. Parte de esta contaminación, principalmente la que se atribuye a la fracción fina de partículas PM2.5 se adjudica a la refinería Héctor R. Lara Sosa ubicada en el municipio de Cadereyta, Nuevo León, sin embargo, estudios específicos como utilizar marcadores con isotopos se deberían de llevar a cabo para confirmar o descartar esta teoría. En este sentido, muchos congresistas han hablado sobre la necesidad de modernizar las tecnologías para reducir las emisiones de esta refinería y de otras industrias. Pero, ¿qué significa realmente “‘modernizar tecnologías”?, ¿de qué tecnologías estamos hablando?, pues bien, aquí es donde aparecen los verdaderos héroes de este artículo: los catalizadores.

¿Qué tipo de tecnologías existen para la mitigación de contaminantes atmosféricos?

En la actualidad existen diferentes tipos de tecnologías para reducir la emisión de contaminantes que se liberan al aire y las podemos conocer en función del contaminante que se quisiera eliminar o retener. Dentro de las tecnologías más utilizadas para la retención de material particulado, que se explicó en nuestro artículo anterior el cual te invitamos a revisar, se encuentran los ciclones, los filtros de mangas, los precipitadores electrostáticos, entre otros [1]. Este tipo de tecnologías consiste en proponer una barrera que permita retener las partículas antes de ser liberadas a la atmósfera mediante la implementación de fuerza centrípeta, de una barrera física o incluso la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico que permite cargar la superficie de las partículas para después retenerlas mediante el uso barreras llamadas electrodos utilizando atracción electrostática.

Otro tipo de tecnología consiste en procesos de absorción, por ejemplo utilizando polímeros específicos o bien el más comúnmente utilizado, el carbón activado. Este es un tipo de carbón el cual se caracteriza porque cada partícula se encuentra modificada en su superficie y tiene tantos poros disponibles que permite que las moléculas contaminantes gaseosas se acomoden dentro de estos espacios y, es de esta forma como los contaminantes gaseosos se retienen en este tipo de materiales, a este tipo de retención se le conoce como adsorción el cual se define como un proceso en el cual moléculas de una sustancia (llamada adsorbato) se acumulan y se adhieren en la superficie de otra sustancia (llamada adsorbente) [2], es muy probable que esta técnica sea muy conocida ya que usualmente se utiliza como eliminador de olores caseros.

Existen mucho más técnicas de mitigación, retención o control de contaminantes atmosféricos que nos llevaría un artículo entero describirlos a profundidad, por eso en esta ocasión nos limitaremos a los anteriormente mencionados. Sin embargo, existe la catálisis la cual se puede definir como el proceso por el cual una sustancia llamada catalizador aumenta la velocidad de una reacción química sin consumirse de manera permanente en la reacción [3]. Como bien describe el Prof. Lars Öhrström en su libro, la catálisis tiene un amplio rango de aplicaciones desde mejoras en salud como, por ejemplo, un alivio para la enfermedad del Parkinson hasta la producción de energías limpias como el hidrógeno o la valorización de residuos [4].  Obviamente no hemos olvidado el tema original, ya que la catálisis tiene amplias aplicaciones en la reducción o mitigación de contaminantes del aire, solo es suficiente identificar a los convertidores catalíticos ubicados en los vehículos motorizados de última generación incluyendo automóviles, camiones, etc.  Ahora recordemos lo que preguntábamos anteriormente. En relación con las refinerías y diversas industrias ¿a qué se refieren con modernización de “tecnologías” ?, ¿a qué tipo de tecnologías se refieren?

Anteriormente, presentamos a los catalizadores como los héroes que nos rescatan para limpiar el aire que respiramos, pero nos surgen nuevas preguntas: ¿qué son?, ¿cómo se hacen?, ¿cómo funcionan?

¿Que son los catalizadores y cuál es su principal función?

Existen diferentes tipos de catalizadores que van de acuerdo con su función específica, la cual consiste principalmente en acelerar una reacción química. Por ejemplo, las enzimas en nuestro cuerpo son un tipo de biocatalizadores que ayudan a acelerar reacciones de los seres vivos que le permiten mantenerse en funcionamiento, dentro de este tipo de catalizadores tenemos a la amilasa, catalasa, ADN polimerasa, entre otras, cada una con una función específica.

Para mantener relación con el tema de hoy, existen catalizadores específicos que eliminan contaminantes antes de que sean expulsados por un automóvil o una fábrica. Entonces, podríamos pensar: ¡estamos salvados!, pero si en verdad fuera así, ¿por qué hay tanta contaminación en el aire?.

Los catalizadores son compuestos químicos capaces de acelerar una reacción al disminuir la energía de activación. En otras palabras, la energía de activación es la cantidad de energía necesaria para que ocurra una reacción química, y los catalizadores reducen este requisito al proporcionar atajos que facilitan el encuentro de los reactivos y permiten que la reacción se lleve a cabo.

Imagina que tienes que cruzar un río muy caudaloso para llegar a tu destino. Una opción es caminar por la orilla del río muchos kilómetros y consumiendo mucha energía para encontrar un paso seguro, otra opción es cruzar el río nadando en donde tendrías que luchar contra la corriente, sería un cruce peligroso, lento y con un consumo de energía enorme; sin embargo, es posible que se construya un puente que te permita cruzar ese río haciendo el cruce más rápido, más seguro y con una reducción significativa de energía y lo mejor es que al utilizar el puente nunca se desgasta y seguirá estando disponible para otros cruces, es en este sentido en donde el puente hace la labor de catalizador el cual brinda un atajo para que se lleve a cabo un proceso. En este sentido, los catalizadores, en el contexto de la contaminación del aire, se encargan de acelerar reacciones de gases contaminantes como el monóxido de carbono y otros compuestos orgánicos volátiles, que son tóxicos, generan lluvia ácida, contribuyen a la formación de smog fotoquímico y partículas ultrafinas, y pueden causar cáncer e incluso muertes prematuras. Estos compuestos se transforman en gases menos nocivos, como el CO₂, o incluso en compuestos de valor que pueden utilizarse como vector de energía. Y lo más sorprendente es que este proceso ocurre en una fracción de segundo.

Pero no todo es ideal; los catalizadores que utilizamos en la vida diaria para acelerar una reacción están hechos de metales nobles. Se les conoce como metales nobles porque son resistentes a la corrosión; entre ellos se encuentran el rodio, el paladio, el platino y el oro, entre otros. Y sí, ¿ya identificaste el problema?, el alto costo de estos metales hace que reemplazar o implementar estas tecnologías sea una desventaja, aunque en la práctica solo se utilice entre el 1 y 5 por ciento de este metal en los convertidores catalíticos. Este problema se agrava cuando, en refinerías o incluso en los mismos vehículos, el petróleo a tratar contiene cierto porcentaje de azufre, como ocurre con el petróleo en México. Este azufre se deposita en la superficie del catalizador, desactivándolo o, como se le conoce técnicamente, envenenándolo. ¿Y, ahora, que podemos hacer?, una alternativa es el reemplazo, pero ¡uf!, ¿a qué costo?, otra alternativa es implementar catalizadores de bajo costo y es aquí en donde nuestro grupo de investigación de Geoingeniería Ambiental perteneciente a la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Autónoma de Nuevo León estamos trabajando.  

Innovaciones para el futuro de los catalizadores de bajo costo.

En nuestro grupo de investigación de Geoingeniería Ambiental actualmente estamos desarrollando catalizadores basados en metales de bajo costo como el óxido de manganeso. Para dar una referencia, este tipo de catalizadores tienen un costo aproximado en el rango de 200- 2000 veces más barato comparado con los valores comerciales de los catalizadores actuales y lo mejor, es que su funcionamiento no esta tan alejado de la eficiencia de otro tipo de catalizadores comerciales. Dentro de las actividades desarrolladas en este tema en específico hemos desarrollado catalizadores que han logrado convertir hollín a baja temperatura en gases menos contaminantes [5], con este tipo de trabajos se podría reducir las emisiones directas de partículas finas, esas mismas que se ven en forma de humo negro principalmente provenientes de los tubos de escape de camiones que utilizan diésel como combustible. Adicionalmente, hemos desarrollado catalizadores basados en manganeso que han logrado convertir un gas llamado tolueno en compuestos mucho menos nocivos, ya que el tolueno es un compuesto orgánico volátil muy utilizado en pinturas, gasolinas, esmaltes, plásticos, etcétera, y que además es cancerígeno, tóxico, mutagénico y precursor de la formación de partículas ultrafinas en un gas menos nocivo para la salud [6] y, como la presencia de vapor de agua o humedad es de suma relevancia para la eficiencia de estos catalizadores, se ha demostrado que estos siguen presentando alta eficiencia aún en condiciones de alta humedad [7].

Como se ha logrado describir las acciones de nuestro grupo de investigación han contribuido al desarrollo científico en el ámbito mundial en el contexto del desarrollo de catalizadores de bajo costo que permitan la mitigación, reducción o eliminación de contaminantes atmosféricos. Este trabajo se lleva a cabo en colaboración con estudiantes de licenciatura y posgrado de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Autónoma de Nuevo León y en colaboración con profesores de instituciones de prestigio en Europa, Sudamérica y Asia. Adicionalmente, en la actualidad estamos haciendo uso de una herramienta emergente para potencializar el desarrollo de nuevos catalizadores como es la manufactura aditiva, pero esa es otra historia, de la que hablaremos en la siguiente ocasión, nos vemos pronto.

Referencias.

1. Air pollution control engineering, L.K. Wang y col., Humana Press 2004.

2. Fundamentos de Fisicoquimica, Samuel H. Maron Limusa 2012.

3. Química la Ciencia Central, T.L. Brown y col. Pearson Ed., 2004. 

4. The last alchemist in Paris. Lars Öhrström, Oxford University Press.

5. Environmental Science and Pollution Research (2020) 27:15475–15487 https://doi.org/10.1007/s11356-020-08003-z.

6.C hemistrySelect 2023, 8, e202204835 https://doi.org/10.1002/slct.202204835

7, Applied Catalysis A, General 697 (2025) 120209 https://doi.org/10.1016/j.apcata.2025.120209