Taller: Métricas en la elección de un proceso verde

El creciente interés a nivel mundial en el impacto medioambiental producto de las distintas actividades humanas ha conducido a la búsqueda de soluciones más “verdes”, y aquellos que hayan sido capacitados en Química Verde estarán en mejores condiciones para hacer frente a estos problemas. En este contexto, es esencial el desarrollo de ejercicios que permitan a los alumnos pensar de manera crítica y proporcionarles las herramientas para elegir “la más verde” de dos o más opciones.

Las métricas tales como Economía de Átomo (AE, Atom Economy) y el Factor-E (E, Environmental factor) son comúnmente usadas para evaluar cuan verde es un proceso. Una ventaja que presentan estas métricas es la simplicidad de su cuantificación, aunque en algunos casos no brindan suficiente información para la selección de un proceso verde. Existen otros tipos de métricas, tales como aquellas usadas en el Análisis del Ciclo de Vida (LCA, Life Cycle Assesment), que son más informativas respecto al impacto medioambiental. El LCA es una técnica para evaluar los aspectos ambientales y los impactos potenciales a lo largo de la vida de un producto desde la adquisición de la materia prima, pasando por la producción, el uso y la eliminación. La estructura general, los principios y los requisitos para conducir y reportar estudios de LCA están establecidos en la Norma ISO 14040:2000.

Las métricas de impacto medioambiental basadas en la estrategia ISO LCA que fueron elegidas para el análisis de este ejercicio son las siguientes:

-          Potencial de acidificación (AP, Acidification Potential): potencial de un compuesto gaseoso de generar lluvia ácida.

-          Potencial de agotamiento de ozono (ODP, Ozone Depletion Potential): mide la capacidad de un compuesto halogenado gaseoso o muy volátil de destrucción de la capa de ozono.

-        Potencial de formación de smog (SFP, Smog Formation Potential): mide la habilidad de un compuesto químico orgánico volátil de contribuir a la formación de smog.

-       Potencial de calentamiento global (GWP, Global Warning Potential): es una medida de la capacidad de un compuesto químico gaseoso o volátil de contribuir al calentamiento global.

-          Potencial de toxicidad humana por ingestión (INGTP, human Toxicity by INGestion Potential).

-          Potencial de Toxicidad humana por inhalación (INHTP, human Toxicity by INHalation Potential).

-          Persistencia (PER, PERsistance): tiempo de vida de un compuesto en suelo, atmósfera.

-          Bioacumulación (ACCU, bioACCUmulation): medida de la acumulación de sustancias químicas en organismos vivos.

-          Potencial de agotamiento de recursos abióticos (ADP, Abiotic Depletion Potential): mide el riesgo relativo de agotamiento de cada elemento.

Cada una de estas métricas se calcula en base a patrones o referencias. Además para las métricas AP, ODP, SFP, GWP, INGTP, INHTP y ADP se determina el índice de riesgo respectivo: I_AP, I_ODP, I_SFP, I_GWP, I_INGTP, I_INHTP y I_ADP, el cual tiene en cuenta también la masa de compuesto químico liberada al medioambiente.

Consideraciones previas del caso bajo estudio.

Los aceites de soja hidroxilados, también llamados polioles de soja, son compuestos ampliamente usados en la síntesis de poliuretanos. Estos polioles derivados de aceites vegetales presentan mayores beneficios medioambientales que aquellos derivados del petróleo, ya que los primeros reducen significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero.

Los polioles de soja son obtenidos a partir de los aceites de soja epoxidados vía una apertura de epóxido catalizada por ácido, la cual emplea metanol como nucleófilo (Figura 1). El aceite de soja epoxidado es muy conocido y comercialmente disponible y se utiliza como plastificante en la industria de los plásticos.

 En términos de química verde, un problema común en la síntesis de estos metoxihidroxi polioles a partir de aceites epoxidados es la necesidad de emplear ácidos de Bronsted fuertes para activar el anillo oxirano hacia el ataque de nucleófilos débiles como el metanol. En consecuencia, es requerimiento la remoción del ácido, la purificación del solvente y trabajar a altas temperaturas, lo que genera emisiones gaseosas y subproductos indeseables como cetonas. A raíz de ello, se han llevado a cabo investigaciones enfocadas en la utilización de catalizadores ácidos sólidos (zeolitas, resinas, etc.) los cuales permitirían reemplazar las numerosas toneladas de catalizadores ácidos homogéneos no reciclables consumidos en los procesos industriales. Sin embargo, está bajo estudio la selectividad y el rendimiento de producto empleando este tipo de catalizadores. Por otro lado, en la búsqueda de soluciones más verdes para este problema, las nanopartículas de Fe/Fe₃O₄ con residuos ácidos han mostrado especiales ventajas [1]. Por un lado, estas nanopartículas de Fe permiten reducir la cantidad de catalizador debido a que tienen una mayor área superficial y por otro, son eficientemente removidas con un campo magnético.

Descripción de los métodos a analizar.

Se analizarán 4 tipos de catalizadores para la reacción de apertura del anillo oxirano del metil oleato epoxidado (EMO), el cual es tomado como simplificación del aceite de soja (Figura 2).

Las características generales de los catalizadores analizados son:

• Ácido sulfúrico. Ácido de Bronsted fuerte. Requiere remoción del ácido, purificación del solvente, alta temperatura. Gran cantidad de emisiones gaseosas.
• Resina Amberlyst-15. Resina ácida. Bajo rendimiento. Mayor consumo energético comparado con catálisis homogénea. Inconveniente en el “hinchado” de la resina. Formación de subproductos (cetonas).
• Resina SAC 13. Resina ácida. Bajo rendimiento. Mayor consumo energético comparado con catálisis homogénea. Inconveniente en el “hinchado” de la resina. Formación de subproductos (cetonas).
• Nanopartículas magnéticas de Fe/Fe₃O₄ (NP) con residuos ácidos. No deben ser “hinchadas”. Son eficientemente removidas con un campo magnético. Bajo consumo energético.

Rutas sintéticas evaluadas.

En la Tabla 1 se presentan las rutas sintéticas que involucran la utilización de los distintos catalizadores, detallándose los materiales, el procedimiento, los productos, residuos y el rendimiento en cada caso para la fabricación de 1kg de producto.

Métricas de impacto medioambiental para las rutas evaluadas.

En la Tabla 2 se presentan para las distintas rutas los valores obtenidos para los índices de riesgo de las nueve métricas consideradas. Estos valores pueden ser calculados a partir de expresiones matemáticas que superan el alcance de este curso [2]

Discusión de los resultados.

En base al análisis de los resultados presentados se discutirá en el taller cual de las distintas rutas evaluadas es la “más verde”. Los alumnos deberán justificar el por qué de su elección.

Las pautas específicas para la realización de este trabajo serán presentadas oportunamente durante el desarrollo de la clase.

Referencias

[1] Mercer,S. M.;  Andraos, J.; Jessop, P. G. J. Chem. Educ. 2012, 89, 215−220.

[2] Ahn, K. B.; Wang, H.; Robinson, S.; Shrestha, T. J.; Troyer D. L.; Bossmann, S. H., Sun, X. S. Green Chem., 2012, 14, 136–142.