Antecedentes
Las cantidades atmosféricas naturales de dióxido de carbono, un gas incoloro, varían de 0 a 5%. Está compuesto por tres átomos: una molécula lineal sin momento dipolar neto está formada por dos átomos de oxígeno unidos a un átomo de carbono. Se formula de estas maneras: (1) las criaturas aeróbicas como las personas y los animales lo producen principalmente durante la respiración. Sin embargo, también puede generarse durante la combustión o la descomposición microbiana de los desechos orgánicos (2), al quemar combustibles fósiles, incluido el carbón, el petróleo, la gasolina y el gas natural, se produce la mayor parte de las emisiones antropogénicas, y (3) dependiendo del producto o productos previstos, el CO2 puede usarse directamente al convertirlo en productos químicos a través de varias rutas catalíticas además de usarse en procesos industriales como la fabricación de cemento o refrescos.
Métodos de utilización del dióxido de carbono
Es posible convertir el dióxido de carbono en compuestos químicos valiosos mediante diversas técnicas. Entre ellas, se encuentran la conversión termocatalítica que implica altas temperaturas; la conversión microbiana mediante cepas bacterianas modificadas; la reducción electroquímica directa mediante fuentes de energía renovables; la reducción fotocatalítica mediante luz solar; las conversiones enzimáticas mediadas por mitocondrias mediante enzimas extraídas de células vivas; la química orgánica sintética mediante reactivos organometálicos con metales básicos como el cobre o el hierro como catalizadores; y las reacciones asistidas por enzimas mediante biocatalizadores. Cada técnica tiene ventajas exclusivas según las categorías de productos a las que se destine, la tasa de producción, el consumo de energía, etc.
La aplicación de electricidad directamente a las moléculas de CO2 hace que se conviertan en iones de formato, que pueden interactuar con otras moléculas para generar compuestos valiosos como el metanol y el etanol. Este proceso se conoce como conversión electroquímica directa. Este enfoque elimina cualquier emisión de gases de efecto invernadero relacionada con su uso al utilizar fuentes de energía renovables como la eólica y la solar en lugar de combustibles fósiles convencionales, lo que lo convierte en una opción atractiva, dadas las preocupaciones actuales sobre el cambio climático global. Y este método es más asequible que otros métodos disponibles en la actualidad debido a sus tasas de utilización cercanas al 100% y la baja necesidad de materiales catalizadores. Sin embargo, todavía deben resolverse algunos problemas antes de que la opción pueda considerarse comercialmente viable debido a las lentas velocidades de reacción en comparación con las técnicas fotocatalíticas y los limitados problemas de escalabilidad relacionados con los requisitos de tamaño del reactor para lograr niveles de producción a gran escala como lo exigen los estándares de la industria en la actualidad.
Reducción fotocatalítica:Utilizando energía luminosa y catalizadores como nanocristales de óxido de titanio dopados con varios óxidos de metales de transición, como plata, cobalto, óxido de zinc, etc., la reducción fotocatalítica convierte las moléculas de CO2 en iones de formato, si se aplican a un potencial catódico, o radicales hidroxilo, si se aplican a un potencial anódico. Ambos productos tienen una amplia gama de usos en varias industrias, que van desde disolventes hasta y, dado que este método solo necesita una fuente de luz en lugar del calentamiento térmico tradicional, es una opción atractiva para realizar síntesis fotoquímicas en entornos en los que de otro modo no sería apropiado, como la producción en lotes pequeños o laboratorios donde el espacio y los recursos son limitados, respectivamente. Este método también ofrece una flexibilidad inigualable.
La ingeniería de ciertas cepas bacterianas para que absorban directamente los gases disueltos del medio ambiente, como el aire, y los transformen en metabolitos valiosos, como los ácidos grasos, se conoce como "conversión microbiana". Sin sustratos externos adicionales, este método supera a los otros enumerados aquí en términos de costos porque no es necesario comprar reactivos adicionales; en cambio, se pueden cultivar cultivos especializados de manera económica en la propiedad de uno y utilizarlos dentro del contexto de manera efectiva. Y gracias a las mejoras en las tecnologías de manipulación genética, incluso las reacciones complejas de varios pasos ahora pueden producir compuestos objetivo en los niveles deseados de manera rápida y precisa, lo que garantiza que las operaciones de control de calidad se realicen sin interrupción en el futuro previsible para los proyectos posteriores. Los investigadores utilizan cada vez más las tecnologías de manipulación genética para crear nuevos medicamentos y tratamientos. Para mantenerse por delante de la competencia y mantener una ventaja competitiva en los avances del desarrollo científico, el mercado mundial de rápido crecimiento del sector de la salud necesita una cantidad cada vez mayor de investigación.
Conversión termocatalítica: La termocatálisis es la aplicación de calor a una mezcla que contiene tanto hidrógeno como monóxido de carbono para producir hidrocarburos líquidos similares a las fracciones de petróleo, pero de una calidad mucho más pura que el petróleo crudo estándar obtenido en los sitios de extracción de combustibles fósiles en la actualidad. Esto hace posible el acceso a productos finales valiosos que el sector de la refinería tendría dificultades para obtener en otro lugar. Y la síntesis de polímeros se hace posible mediante la termoquímica: polioles, plásticos, caucho, espuma, adhesivos, selladores, pegamento y revestimientos. Los textiles, las fibras y los materiales compuestos tienen diversos usos en diversas industrias, entre ellas la cosmética, el envasado, el procesamiento de alimentos, la ingeniería automotriz, la construcción de edificios, la agricultura y la industria aeroespacial. Por eso están ganando popularidad rápidamente y son líderes en la industria tecnológica a escala mundial. Las conversiones enzimáticas mediadas por mitocondrias implican la extracción de enzimas de células vivas, específicamente mitocondrias, y su transferencia a otro medio donde transforman intermediarios reactivos, formando en última instancia un producto final designado como resultado de una vía predeterminada a partir de la generación de metabolitos intermedios valiosos (múltiples compuestos comensales). Ácido láctico, acetilcolina, glicerol, alcohol acético, succínico, piperonílico, succínico málico, tartárico, fumárico, glutaraldehído, 2-hidroxibenzoato, ácido fenoxiacético y 2-metilfenoxietanol son solo algunos compuestos que se pueden extraer con mayor precisión y pureza a precios reducidos como valor agregado.
Sin embargo, a diferencia del método de electroquímica directa, conversiones mitocondriales Tienen una cinética más lenta, lo que significa que el ciclo tarda más en completarse antes de llegar al punto final. Esto puede reducir la capacidad de producción real. En determinadas circunstancias, son necesarios tiempos de respuesta más rápidos. Asegúrese de que el producto final se entregue en la fecha prevista y en el cronograma prometido a los clientes. Antes de comenzar el proyecto, este es un factor crucial para evitar decepciones que podrían causar demoras que podrían costarle dinero a la organización o causar daño a largo plazo a su reputación, conocimiento de marca y participación de mercado.
Química orgánica sintética: La creación de reactivos organometálicos compuestos de metales de transición, ligandos y estructuras de soporte para producir estereoselectividad favorable se conoce como química orgánica sintética u “organometálica”. En comparación con otros parámetros de la asignatura, se debe considerar cada caso concreto para identificar adecuadamente las mejores condiciones óptimas de funcionamiento en el contexto, asegurando la máxima eficiencia. La quimiorregioselectividad durante las transformaciones permite que las formaciones selectivas de grupos funcionales en posiciones específicas de las moléculas se logren fácilmente en poco tiempo. Minimizar el desperdicio de mano de obra, materiales y recursos, dando alta prioridad al equipo del personal de seguridad. Recuerde, en cada etapa de la fase de ejecución del proyecto, incluida la entrega a los clientes de la manera más exitosa posible, a pesar de los obstáculos enfrentados y las circunstancias imprevistas.
Ejemplos de síntesis química a partir de dióxido de carbono (CO2)
- Síntesis de metanol: el método de Monsanto, que incluye la interacción del dióxido de carbono con gas hidrógeno en presencia de un catalizador de cobre y zinc, puede crear metanol a partir del dióxido de carbono. La producción de metanol a partir del dióxido de carbono puede lograrse mezclándolo con hidrógeno sobre un catalizador adecuado a altas temperaturas y presiones (por ejemplo, 400–430 °C y 10–20 bar). El término “metanización” también se aplica a este proceso.
- Producción de ácido fórmico: Utilizando una celda electroquímica y un catalizador de paladio-cobre, se puede producir ácido fórmico a partir de dióxido de carbono e hidrógeno.
- Conversión a sales de oxalato: A través de procesos químicos que involucran compuestos de boro y aluminio como el bórax o el hidrato de alúmina y otros ácidos, incluido el ácido clorhídrico o el ácido sulfúrico, el dióxido de carbono también puede transformarse en sales de oxalato.
- Los policarbonatos se obtienen combinando fosgeno con alcoholes dihídricos como el etilenglicol en presencia de catalizadores como el tetracloruro de estaño o el cloruro de cinc. Esto provoca reacciones de polimerización que dan como resultado polímeros compuestos principalmente de moléculas de dióxido de carbono unidas por átomos de oxígeno (es decir, policarbonatos).
- Síntesis de ácido carbónico: en un catalizador como el ácido sulfúrico o el ácido fosfórico, el dióxido de carbono y el agua se combinan para formar ácido carbónico. El resultado puede generar compuestos como urea y formatos.
- Síntesis de dimetiléter: El dimetiléter (DME) es otro compuesto importante que se puede producir a partir de dióxido de carbono mediante el uso de catalizadores para la síntesis de metanol y un agente reformador, como una mezcla de CO2/H2O o CO/H2, a temperaturas entre 350 y 400 °C y presiones de hasta 20 bar para la conversión de gas de síntesis en DME.
- Producción de policarbonato: Debido a su resistencia, durabilidad, transparencia, resistencia al calor y propiedades de aislamiento eléctrico, los policarbonatos se emplean a menudo en aplicaciones industriales. Se fabrican habitualmente mediante la transesterificación de bisfenol con fosgeno, que se crea cuando el dióxido de carbono reacciona con gas cloro o una solución de ácido clorhídrico a alta temperatura (200–300 °C).
- La síntesis de carbonato de dimetilo (DMC) es un proceso que se utiliza para producir el compuesto químico carbonato de dimetilo. Implica la reacción del metanol con fosgeno o dióxido de carbono en presencia de un catalizador básico, como hidróxido de potasio o hidróxido de sodio. La reacción produce carbonato de dimetilo y cloruro de hidrógeno, que luego se elimina de la mezcla mediante destilación. El carbonato de dimetilo se puede utilizar como alternativa al etilenglicol en formulaciones anticongelantes para automóviles y aviones, así como para muchas otras aplicaciones, incluidos disolventes, plastificantes, propelentes y combustibles.
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