LOS FLUIDOS SUPERCRÍTICOS COMO DISOLVENTES ALTERNATIVOS
Disolvente: Sustancia capaz de formar mezclas homogéneas con otra u otras sustancias (solutos) destruyendo la agregación de las partículas de esas sustancias
Disolventes en la Prehistoria: pinturas de Altamira Para algunos de los pigmentos los hombres prehistóricos emplearon disolventes: grasa animal, cola de pescado, sangre...
Disolventes convencionales: Distribución por sectores del uso de disolventes no clorados Fuente: ESIG
Disolventes convencionales: Toxicidad e inflamabilidad : Límite permitido de exposición (PEL): Concentración máxima de una sustancia química a la que un trabajador puede estar expuesto. Definición de la Occupational Safe and Health Administration de EE.UU. Punto de flash: Temperatura a la cual una fuente de ignición que se halle a 1 cm de la superficie del líquido causará su ignición.
Disolventes convencionales: Toxicidad e inflamabilidad : Disolvente PEL / ppm Punto flash/ o C Disolvente PEL / ppm Punto flash/ o C Acetona 1000-18 Metanol 200 11 Hexano 500-7 Isopropanol 400 12 Pentano 1000-40 Tetrahidrofurano 200-21 Heptano 500-4 p-dioxano 100 12 Acetonitrilo 40 2 Acetato de etilo 400-4 Diclorometano 12,5 - Tolueno 200 4 Cloroformo 50 - Xilenos 200 25 Éter etílico 400-45 Benceno 1-11 Etanol (absoluto) 1000 12 Dimetilformamid 10 58
Disolventes convencionales: Emisiones por sectores de compuestos orgánicos volátiles (COVs) Fuente: ESIG
Disolventes neotéricos: Neotérico: significa moderno, contemporáneo Son fluidos con propiedades modulables Algunos son empleados a gran escala mientras que otros están siendo investigados por sus usos potenciales como disolventes que permitirían una mayor sostenibilidad.
Disolventes neotéricos: Gases licuados Líquidos expandidos con gas Disolventes eutécticos Líquidos iónicos Fluidos supercríticos
Fluido supercrítico (SCF): Un fluido supercrítico es una sustancia que se encuentra a una presión superior a su presión crítica y a una temperatura superior a su temperatura crítica
Diagrama de fases: P c sólido líquido REGION SUPERCRITICA PC Presión PT gas Temperatura T c PT Punto Triple PC Punto Crítico Tc Temperatura Crítica Pc Presión Crítica
Algunas propiedades de las sustancias varían ampliamente en un rango extenso de temperaturas y presiones alrededor del punto crítico Densidad Viscosidad Difusividad Capacidad calorífica Conductividad térmica Constante dieléctrica
Los valores de ciertas propiedades de los fluidos supercríticos son intermedias entre las de los líquidos y las de los gases Magnitud Gas SCF Líquido Densidad (kg/m 3 ) 1 100-800 1000 Viscosidad (cp) 0.01 0.05-0.1 0.5-1.0 Difusividad (mm 2 /s) 1-10 0.01-0.1 0.001
Comparación de los SCF con los líquidos La densidad es la propiedad responsable del poder disolvente de los fluidos
Comparación de los SCF con los líquidos La baja viscosidad dota a los fluidos supercríticos de una gran facilidad de transporte y de una velocidad de transferencia de masa más elevada La elevada difusividad y la tensión superficial prácticamente nulas permiten una mejor penetración en las matrices sólidas.
Principales campos de aplicación Extracción supercrítica (SFE): principalmente de productos naturales Tratamiento de materiales Medios de reacción
Esquema de una planta de extracción supercrítica
Propiedades críticas de varias sustancias: Fluido T. crítica [ C] P. crítica [bar] ρ crítica [kg/m 3 ] Etileno 9.3 50.4 220 Xenón 16.6 58.4 120 CO 2 31.1 73.8 470 Etano 32.2 48.8 200 NO 36.5 71.7 450 Propano 96.7 42.5 220 Amoníaco 132.5 112.8 240 1-Propanol 235.2 47.6 270 Metanol 239.5 81.0 270 Agua 374.2 220.5 320 Tolueno 318.6 41.1 290 Fluido más utilizado en SFE: Dióxido de carbono
Ventajas del dióxido de carbono: Parámetros críticos accesibles Baja temperatura crítica: muy ventajosa para extraer productos naturales sin que ocurra degradación térmica Baja toxicidad: PEL = 5000 ppm No es inflamable Es bastante inerte desde el punto de vista químico Coste bajo: 3,7 euros/kg Desventaja principal del dióxido de carbono: No disuelve bien compuestos polares. Modificadores
El dióxido de carbono y la química verde: Es un disolvente inocuo y no inflamable. Conduce a procesos más seguros Los productos obtenidos suelen ser más seguros porque no hay residuos de disolvente Es un recurso abundante en la atmósfera y se puede considerar renovable (eliminando, por supuesto, el exceso de origen antropogénico)
El dióxido de carbono y la química verde: Handicap: es el causante del efecto invernadero y del calentamiento global del planeta El CO 2 no se produce específicamente para la SFE. No contribuye al aumento de la cantidad total en la atmósfera Si se recicla en el proceso, es una forma de secuestrar CO 2, si bien en pequeñas cantidades La situación ideal se presentaría si el CO 2 capturase directamente de la atmósfera. se
EL CO 2 SUPERCRÍTICO SE PUEDE CONSIDERAR COMO UN DISOLVENTE VERDE EN TODAS SUS APLICACIONES
Extracción a gran escala: Descafeínado de café y té Obtención de extracto de lúpulo para la industria cervecera
Planta de extracción a gran escala:
Proceso de descafeínado: Humidificación semillas de café Extracción cafeína con CO 2 supercrítico durante 10 horas Flujos de CO 2 con cafeína y de agua en contracorriente: la cafeína se disuelve en el agua Reciclado del CO 2 Recuperación de la cafeína
Extracción a menor escala Extracción de productos naturales Extracción de especias Extracción de aceites esenciales Extracción de productos de interés farmacológico Extracción de metales utilizando un agente quelante
Planta piloto de extracción supercrítica Grupo de Termodinámica Aplicada y Superficies (GATHERS)
Línea de investigación GATHERS: Optimización de los parámetros de extracción supercrítica de aceites esenciales de plantas aromáticas de la Comunidad Autónoma de Aragón. Colaboración con el Centro de Investigación de Tecnología Agroalimentaria (CITA) del Gobierno de Aragón Objetivo: valorización de plantas que necesitan muy poco agua (salvia, hisopo, ajenjo, menta...) con vistas a su posible cultivo en zonas ahora incultas.
Otras aplicaciones favorables al medio ambiente y a la sostenibilidad Pinturas y recubrimientos: eliminación de disolventes orgánicos y consiguiente emisión de COVs Recuperación de suelos contaminados Mejora en el aprovechamiento de pozos petrolíferos
Mejora del aprovechamiento de pozos petrolíferos Enhanced Oil Recovery (EOR)
Tratamiento de materiales Obtención de micro y nanopartículas Impregnación de polímeros Formación de espumas sólidas
Obtención de micro y nanopartículas Mediante CO 2 supercrítico se pueden obtener partículas de tamaños comprendidos entre 5 y 2000 nm Ventajas Se puede usar cuando los métodos físicos (molienda) no son aplicables. Permite la eliminación de disolventes orgánicos Gran precisión y flexibilidad Productos con mejores características
Obtención de micro y nanopartículas Comparación de la forma de las micropartículas de un producto Método mecánico Usando fluido supercrítico
Obtención de micro y nanopartículas Usos Productos farmacéuticos inhalables o poco solubles Catalizadores Polímeros y biopolímeros Intermedios químicos Tintes
Obtención de micro y nanopartículas Algunos métodos Expansión rápida de disoluciones supercríticas (RESS) Antidisolvente supercrítico (SAS) Partículas a partir de disoluciones saturadas de gas (PGSS) Despresurización de una disolución orgánica líquida expandida (DELOS)
Expansión rápida de disoluciones supercríticas (RESS) La expansión del fluido supercrítico provoca su evaporación y la consiguiente precipitación del soluto
CO 2 supercrítico como medio de reacción. Reacciones Hidrogenaciones Hidroformilaciones (procesos oxo ) Polimerizaciones Reacciones de Diels-Alder Reacciones de Friedel-Crafts
Otras aplicaciones de interés Limpieza Lavado en seco de tejidos Limpieza de componentes Microelectrónica Secado supercrítico Deposición de metales Formación de materiales dieléctricos Esterilización. Inactivación de microorganismos en alimentos, material sanitario, etc.
Agua supercrítica El agua en condiciones supercríticas es un agente muy adecuado para la eliminación por oxidación de residuos díficiles de eliminar de otra manera
CO 2 SUPERCRÍTICO UN DISOLVENTE VERDE Y POLIVALENTE
LOS FLUIDOS SUPERCRÍTICOS COMO DISOLVENTES ALTERNATIVOS