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Ciencia & Tecnología

Sistema reduce contaminación por hollín

Jun. 24 de 2017

Por: Juan David Martínez Pérez, Unimedios Manizales

A partir de un elemento milenario, ingenieros químicos diseñaron una forma de reducir las emisiones de hollín generadas por los motores diésel y que van a la atmósfera. Estos motores son usados en todo el mundo por su economía y bajo consumo de ACPM.

Hace 17.000 años los hombres de la Edad de Piedra utilizaban el óxido de manganeso como pigmento para sus pinturas en las cuevas, y los espartanos de la Antigua Grecia fabricaban armas superiores a las de sus enemigos usando una mezcla del óxido más acero. En la actualidad este compuesto se podría convertir en una alternativa ideal para contrarrestar los efectos de la contaminación producida por los motores diésel en Colombia.

El manganeso, que se encuentra libre en la naturaleza y parece un polvo negro, le sirvió como materia prima a científicos del Grupo de Investigación en Procesos Químicos, Catalíticos y Biotecnológicos de la Universidad Nacional de Colombia (UN) Sede Manizales, en la búsqueda de nuevos materiales que sirvan para optimizar el proceso de combustión del hollín (partículas PM2.5 de carbón que producen los motores de los vehículos).

Los motores diésel –implementados en el país desde 1983– utilizan un sistema de cuatro tiempos: admisión, compresión, combustión y escape. El aire ingresa a la cámara de combustión, se comprime y se inyecta el carburante para generar la incineración que producirá la fuerza para el movimiento del carro. Al final del proceso los gases se liberan por el tubo de escape, conocido como exosto, donde se forma el hollín.

Junto con los óxidos de nitrógeno (mezcla de gases compuestos de nitrógeno y oxígeno), el hollín es uno de los principales contaminantes del aire, y la legislación vigente de la Organización Mundial de la Salud limita su emisión a 10 µg/m3 (microgramos/metro cúbico) promedio al año.

El profesor Óscar Hernán Giraldo Osorio, del Departamento de Física y Química de la UN Sede Manizales, explica que la eliminación de hollín se realiza a través de filtros de partículas diésel (DPF, por sus siglas en inglés) que se regeneran continuamente mediante un proceso de incineración acelerada acompañado de desprendimiento de luz y calor (combustión catalítica).

El propósito de usar los filtros DPF es garantizar la transformación completa de los contaminantes ambientales en dióxido de carbono y dióxido de nitrógeno, aunque estos contienen catalizadores principalmente de platino, que son costosos y requieren procesos de elaboración más complejos.

“Los catalizadores son importantes porque ayudan a que las reacciones químicas sean más rápidas y selectivas, pues tienen la capacidad de trabajar únicamente los compuestos de interés, y su uso se puede prolongar por varios ciclos para la misma operación”, afirma Nayda Patricia Arias, candidata a doctora en Ingeniería Química de la UN Sede Manizales.

Material más eficiente

El catalizador elegido fue el óxido de manganeso tipo birnesita –sólido cristalino color púrpura parecido a la arcilla–, que se caracteriza por su bajo impacto ambiental, por ser análogo de minerales que se encuentran en depósitos naturales de varias regiones del país. Además es de bajo costo, a diferencia del titanio y el paladio, con los que usualmente se trabaja; tiene gran versatilidad estructural y sus propiedades se pueden modificar según lo que se desee elaborar.

Los óxidos de manganeso adaptados en los ductos de escape del motor se exponen en la primera etapa a un método que consta de tres pasos: calcinación, lavado y recalcinación.

El proceso tarda 24 horas y empieza con el sometimiento del permanganato de potasio a 400 oC; después se retira para lavar las impurezas formadas durante esta etapa y se vuelve a introducir en el horno para secarlo, esta vez a una temperatura de 60 oC, para finalmente ser recalcinado a 600 oC.

El profesor Giraldo Osorio menciona que “este proceso de síntesis se determinó con estudios previos. Sin embargo arrojó mejores resultados para la modulación de las propiedades que se pueden hacer a la aplicación específica como catalizador para la combustión del hollín”.

Los óxidos se adhirieron a un soporte elaborado en un material denominado alúmina, que facilita la impregnación y aplicación del producto en el filtro del automotor, por el cual suben los gases de escape que salen a la atmósfera.

Como resultado se obtuvo un catalizador que disminuyó la temperatura de combustión del hollín proveniente de los motores diésel de 600 oC a 450 oC, lo que los hace más eficientes en comparación con los que se venden en la actualidad.

Evaluado en España

La evaluación de la actividad catalítica se desarrolló en conjunto con investigadores de la Universidad de Alicante (España); se hizo en un dispositivo conformado por un reactor tubular de cuarzo en el que se pone el catalizador de óxido de manganeso en contacto con el hollín.

La investigadora Arias Duque indica que para simular las condiciones reales de combustión de un motor diésel, la reacción se realiza con un reactor inmerso en un horno tubular, al cual se le introducen monóxido de nitrógeno, dióxido de nitrógeno, monóxido y dióxido de carbono, que simulan las condiciones de escape de gases de los motores diésel. Además está provisto de analizadores que permiten cuantificar la composición de los gases a través del exosto.

La técnica que evalúa los catalizadores diseñados permite predecir su actividad y seleccionar materiales para otras aplicaciones como la oxidación de alcoholes secundarios y la destrucción de contaminantes atmosféricos cancerígenos como el benceno y el tolueno.

Después de ser catalogada como una de las innovaciones más importantes en catalizadores en la última década –según la revista científica Applied Catalysis B: Environmental–, esta solución aportada por la un Sede Manizales representa una oportunidad para reducir los niveles de contaminación por material particulado (PM2.5), una problemática que en el país representa costos en salud de 1,1 % del producto interno bruto, de acuerdo con un estudio del Banco Mundial.



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