Aspectos medioambientales del apote de energía a las reacciones químicas

Transcripción

1 Aspectos medioambientales del apote de energía a las reacciones químicas Resumen Las cargas medioambientales que resultan del servicio de energía eléctrica o térmica son particularmente importantes. A menudo dominan el impacto medioambiental total de los productos y procesos. Para disminuir estas cargas, debe emplearse la energía de forma muy eficiente. Este requerimiento suele tenerse en cuenta en las plantas de tecnología química, mientras que en los experimentos de laboratorio se suele prestar menos atención a la reducción energética. Todas las técnicas que proporcionan la energía para la reacción requerida para la síntesis consumen energía eléctrica. La eficacia de las diversas técnicas de calefacción difieren bastante. Las investigaciones indican que para una determinada conversión la energía necesaria varía claramente dependiendo del método usado para proporcionarla. Por ejemplo, empleando una manta calefactora solo se necesita un 70% de la energía eléctrica que si se empleara un baño de aceite para la misma reacción. Solamente se usa el 20% de la energía consumida por el baño de aceite si la reacción se lleva a cabo con microondas. Estas diferencias pueden explicarse por las diferencias en la energía que se pierde en el medio ambiente, es decir, las diferencias en la eficiencia de la trasferencia de energía desde el medio calefactor al medio de la reacción. La importancia de este aspecto se pone de manifiesto en las grandes diferencias existentes. La eficiencia en el suministro de energía tiene una gran influencia en las reacciones químicas y, por tanto, debe estudiarse al mismo tiempo que los productos químicos a utilizar. Si es posible usar mantas de calefacción, son preferibles a los baños de aceite. Además, el empleo de métodos de suministrar energía no-clásicos, como las microondas, también puede conducir a una reducción en la energía consumida. También resulta de gran importancia el asegurar un buen aislamiento del montaje de la reacción a fin de minimizar las pérdidas de energía que debe ser suministrada de nuevo. 1

2 Estas recomendaciones son eficaces únicamente en el caso de que no se encuentren prohibidas por cuestiones de seguridad del tipo de sobrecalentamientos locales por el uso de las mantas de calefacción o por razones de viabilidad práctica que las hagan prohibitivas. El propósito de las investigaciones y experimentos no es la disminución de la insignificante cantidad de energía que se consume en un laboratorio. Los estudiantes deben ser conscientes del consumo de nergía en una reacción química y de las pérdidas de la misma. A gran escala estos factores determinan la eficiencia de una reacción. Introducción El impacto medioambiental resultante del gasto energético, p.ej. las emisiones provenientes de las plantas de producción ya sea eléctrica o térmica por combustión de combustibles fósiles, domina en muchos casos el balance ecológico (Beck y col., 2000), es decir, en gran parte la carga medioambiental de un proceso está determinada por este factor. A menudo se necesita suministrar o quitar energía en el transcurso de una reacción química. En la mayoría de las reacciones que se llevan a cabo en un laboratorio la energía necsaria suele ser suministrada por equipamientos del tipo de una manta eléctrica o un baño calefactor (de aceite o de agua). Los métodos adicionales para el suministro energético como pueden ser las reacciones con empleo de microondas, el uso de ultrasonidos o la energía mecánica suelen emplearse con bastante menos frecuencia y a menudo se pueden emplear únicamente en reacciones muy especiales. Aunque los diferentes métodos usan principios deiferentes para suministrar energía, no hay diferencias esenciales: todos ellos transforman la energía eléctrica de la red en la forma de energía deseada. Investigación Cuál de los métodos para suministrar energía supone un menor gasto energético? Cuál de los posibles métodos para suministrar energía es el más favorable desde un punto de vista ecológico? En otras palabras, qué método necesita la menor cantidad de electricidad 2

3 para una reacción específica y por tanto tiene una eficiencia mayor? Para estudiar esta cuestión, se llevó a cabo una reacción usando una manta de calefacción, luego se llevó a cabo empleando un baño de aceite y por último empleando microondas; el consumo de energía se determinó con un contador de energía. Los resultados de estas medidas pusieron de manifiesto que la manta de calefacción necesitaba únicamente el 70% de la electricidad usada para la reacción cuando se empleaba un baño de aceite. Podía ahorrarse incluso un 80% de la energía si la reacción se llevaba a cabo empleando microondas (Diehlmann, 2002). Cuales son las razones de estas diferencias? Existen diferencias significativas en el consumo energético de los diferentes métodos de suministro de energía. Cuáles son las razones de estas diferencias?. En comparación con los procedimientos clásicos (manta calefactora, baño de aceite) la síntesis con microondas tiene un tiempo de reacción menor, lo que puede ser importante (duración aproximada de la reacción 30 minutos). No hay diferencias en los tiempos de reacción cuando se usa un calefactor con un baño de aceite o una manta calefactora como fuente de energía (en ambos casos aproximadamente 2 horas). Por tanto, las diferencias deben tener otra causa. Experimento llevado a cabo bajo una cámara de IR Con ayuda de la termografía (Fig. 1, Fig. 2) pueden observarse y compararse las diferencias. 3

4 Fig. 1: Fotografía IR calefactor con baño de aceite La temperatura superficial del montaje aumenta unos 190 ºC cuando se emplea el calefactor. La superficie del recipiente del baño de aceite lo hace aproximadamente hasta 130 ºC. En comparación, usando una manta calefactora se alcanzan temperaturas significativamente inferiores. Así, la temperatura superficial medida más alta es ólo de 50 ºC aproximadamente cuando se emplea la manta calefactora y desde luego es bastante inferior a la temperatura del calefactor usado con el baño de aceite. 4

5 Fig. 2: Fotografía IR manta de calefacción La temperatura superficial tiene influencia sobre la energía transferida La pérdida de energía de un objeto hacia el medio que le rodea se debe principalmente a procesos de convección. La radiación de calor es mucho menos importante en la reacción estudiada. Según la ecuación para transferencia de calor la energía emitida por convección Q aumenta cuando las diferencias de temperaturan entre los aparatos del laboratorio y el medio que los rodea se hacen mayores. Q K = α F (T objeto T medio exterior ) t Q k = energía emitida por convección por el montaje experimental α = coeficiente de transferencia de calor F = superficie del montaje experimental T objeto = temperatura superficial del montaje experimental T medio exterior = temperatura del medio circundante t = tiempo que dura la transferencia de calor El tiempo de aislamiento y reacción cambia el balance Frente a lo anterior es obvio que la ventaja de la sintesis con microondas se origina en el menor tiempo de reacción en comparación con las reacciones clásicas. La pérdida de energía por convención es bastante menor con un tiempo de reacción más corto. Las diferencias en el consumo energético entre la manta calefactora y el baño de aceite pueden explicarse también con la ecuación anterior. Debido a las diferentes temperaturas superficiales de los calentadores se ransfieren al medio ambiente diferentes cantidades de energía. Para reemplazar esta pérdida de energía hay que usar más energía de la red. A partir de los reultados obtenidos en las medidas de las dos fotografías IR se determinó aproximadamente la pérdida de energía de cada uno de los dos montajes experimentales. Usando una manta calefactora, aproximadamente el 50% de la energía de la red que se emplea se transfiere al medio ambiente, mientras que en el caso del baño de aceite es un 85%. Las diferencias en la pérdida de energía de los dos montajes clásicos de los experimentos y las diferentes 5

6 temperaturas superficiales de los medios de calefacción pueden expliacarse en conjunto por el mejor aislamiento de la campana calefactora empleada. Recomendaciones a consecuencia de los resultados En general: Cuando se discute el impacto medioambiental de una reacción el aspecto de la energía necesaria no se ha tomado adecuadamente en cuenta hasta ahora. Nuestras investigaciones demuestran que una gran parte del impacto medioambiental de una síntesis se debe a los procesos preliminares. Por ejemplo, una gran parte de los efectos sobre el medio ambiente provienen de la producción de energía eléctrica en las plantas eléctricas. Frente a esto, en el futuro será importante tener en cuenta los aspectos energéticos a la vez que los diferentes aspectos de la reacción. Para una determinada reacción no es suficiente con el hecho de que la química sea correcta, sino que el tiempo necesario para la reacción (la cinética), la temperatura de la reacción o el aislamiento juegan también un papel importante. En concreto: A la vista de los resultados de la investigación pueden hacerse unas recomendaciones con respecto a la elección del equipamiento para realizar reacciones químicas en casos concretos en el laboratorio. Si es posible el uso de una manta eléctrica, es preferible a usar un calefactor con un baño de aceite. La eficiencia de las mantas calefactoras es bastante mayor que la de un calefactor y un baño de aceite. Sin embargo, la eficiencia de la transferencia de calor del medio calefactor a la mezcla de reacción se debe al mejor aislamiento y menor superficie bastante más favorables que las que existen con un baño de aceite. El uso de métodos más nuevos(como puede ser el uso de microondas) también afecta al consumo de energía a escala de laboratorio. Sin embargo el ahorro de tiempo debe ser significativo en comparación con las reacciones empleandomedios calefactores clásicos. La eficiencia del microondas es únicamente del 50%, pero casi todo se transfiere al medio de reacción. Además, el aislamiento del equipo afecta de manera muy favorable al consumo de energía. 6

7 Es importante hacer notar que las recomendaciones anteriores son útiles únicamente en caso de que no se encuentren prohibidas por cuestiones de seguridad del tipo de sobrecalentamientos locales por el uso de las mantas de calefacción o por razones de viabilidad práctica que las hagan prohibitivas. Beck, A., Schering, M. und Hungerbühler, K. (2000). Fate modelling within LCA. The International Journal of Life Cycle Assessment, 5(2000), Diehlmann, A. (2202). Beitrag zur Implementierung des Leitbildes "Nachhaltige Entwicklung" in der Chemieausbildung. Dissertation, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Institut für Technische Chemie und Umweltchemie. 7