Tecnología verde para reciclar NO2 en químico industrial útil con agua y aire

  • El dióxido de nitrógeno, un contaminante tóxico que se crea al quemar combustibles fósiles puede capturarse de la corriente de gases de escape y transformare en productos químicos industriales útiles.

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El proceso es posible utilizando solo agua y aire gracias a un nuevo material avanzado desarrollado por un equipo internacional de científicos.

La nueva investigación dirigida por la Universidad de Manchester, en Reino Unido, ha desarrollado un material de estructura organometálica (MOF, por sus siglas en inglés) que proporciona una capacidad selectiva, totalmente reversible y repetible para capturar dióxido de nitrógeno (NO2), un contaminante tóxico del aire producido particularmente por el uso de diesel y biocombustibles.

Tecnología verde para reciclar NO2 en químico industrial útil con agua y aire

El NO2 se puede convertir fácilmente en ácido nítrico, una industria multimillonaria con usos que incluyen, fertilizantes agrícolas para cultivos propulsores de cohete y nylon. Los MOF son pequeñas estructuras tridimensionales que son porosas y pueden atrapar gases en su interior, actuando como jaulas.

Los espacios vacíos internos de los MOF pueden ser enormes para su tamaño: solo un gramo de material puede tener un área de superficie equivalente a un campo de fútbol.

El mecanismo altamente eficiente de este nuevo MOF se caracterizó por los investigadores que utilizaron la dispersión de neutrones y la difracción de rayos X sincrotrón del Laboratorio Nacional Oak Ridge y el Laboratorio Nacional Berkeley del Departamento de Energía, respectivamente.

El equipo también utilizó el Servicio Nacional de Espectroscopía de Resonancia Paramagnética de Electrones en Manchester para estudiar el mecanismo de adsorción de NO2 en MFM-520.

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La tecnología podría conducir al control de la contaminación del aire y ayudar a remediar el impacto negativo que el dióxido de nitrógeno tiene en el medio ambiente.

Según publican en la revista 'Nature Chemistry', el material, llamado MFM-520, puede capturar dióxido de nitrógeno a presiones y temperaturas ambientales, incluso a bajas concentraciones y durante el flujo, en presencia de humedad, dióxido de azufre y dióxido de carbono.

A pesar de la naturaleza altamente reactiva del contaminante, el MFM-520 demostró ser capaz de regenerarse completamente varias veces por desgasificación o por tratamiento con agua en el aire, un proceso que también convierte el dióxido de nitrógeno en ácido nítrico.

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"Este es el primer MOF que captura y convierte un contaminante tóxico y gaseoso en un producto industrial útil", señala en un comunicado el doctor Sihai Yang, autor principal y profesor titular en el Departamento de Química de la Universidad de Manchester.

"También es interesante que la tasa más alta de absorción de NO2 por este MOF se produce a alrededor de 45 grados centígrados, que es aproximadamente la temperatura de los gases de escape de los automóviles", añade.

El profesor y vicepresidente y decano de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Manchester, Martin Schröder, autor principal del estudio, apunta que "el mercado mundial de ácido nítrico en 2016 fue de 2.170 millones de euros, por lo que hay mucho de potencial para que los fabricantes de esta tecnología MOF recuperen sus costos y se beneficien de la producción resultante de ácido nítrico, especialmente porque los únicos aditivos requeridos son agua y aire".

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Como parte de la investigación, los científicos utilizaron espectroscopía de neutrones y técnicas computacionales en ORNL para caracterizar con precisión cómo MFM-520 captura moléculas de dióxido de nitrógeno.

"Este proyecto es un excelente ejemplo del uso de la ciencia de neutrones para estudiar la estructura y la actividad de las moléculas dentro de los materiales porosos" -explica Timmy Ramirez Cuesta, coautor y coordinador de la iniciativa de química y catálisis en la Dirección de Ciencias de Neutrones de ORNL-.

Gracias al poder de penetración de los neutrones, rastreamos cómo las moléculas de dióxido de nitrógeno se organizaron y se movieron dentro de los poros del material, y estudiamos los efectos que tenían en toda la estructura MOF".

"La caracterización del mecanismo responsable de la alta y rápida absorción de NO2 informará los diseños futuros de materiales mejorados para capturar contaminantes del aire", indicó Jiangnan Li, el primer autor y estudiante de doctorado en la Universidad de Manchester.

En el pasado, capturar gases de efecto invernadero y tóxicos de la atmósfera era un reto debido a sus concentraciones relativamente bajas y porque el agua en el aire compite y a menudo puede afectar negativamente la separación de las moléculas de gas objetivo de otros gases.

Otro problema fue encontrar una forma práctica de filtrar y convertir los gases capturados en productos útiles y de valor añadido, pero el material MFM-520 ofrece soluciones a muchos de estos desafíos.

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