Química y Medio Ambiente

Los procesos para obtener la energía, el transporte, la producción y distribución de alimentos, el consumo masivo, el desarrollo tecnológico, etc. afectan al medio ambiente.
La Química, presente en cada una de estas actividades, ayuda a mejorar nuestra calidad de vida, pero el uso masivo de productos químicos (medicamentos, plaguicidas, detergentes, etc.) hace que los residuos generados también sean químicos. En este contexto, es habitual encontrar el adjetivo “químico” ligado a efectos negativos para el medio ambiente.

Sin embargo, la Química es una de las áreas científicas más implicadas en la resolución de problemas medioambientales. Actualmente la Química colabora en la protección del medio ambiente determinando la concentración y el impacto de sustancias químicas; preparando compuestos con actividad biológica útil para paliar efectos tóxicos; implantando procesos de separación de sustancias tóxicas; interviniendo en los procesos de depuración de aguas residuales; sintetizando plaguicidas y fertilizantes más efectivos y menos contaminantes, etc.

Por ejemplo, el CSIC investiga sobre tecnologías que permiten reducir la concentración del CO2 en la atmósfera mediante su captación, o sobre el uso y desarrollo de nuevos materiales para mejorar el desarrollo de las energías renovables, además de estudiar nuevas fuentes de energía alternativas. Ejemplo de ello es la Red de Pilas de Combustible. La investigación desarrollada en el campo de las pilas de combustible y en el de captación y almacenamiento de CO2 son sólo dos ejemplos de cómo la Química en la actualidad es una ciencia fundamental para conseguir armonizar desarrollo y medio ambiente.

Pilas de combustible

Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que permiten convertir la energía química almacenada en un combustible (normalmente hidrógeno), en energía eléctrica, a partir de reacciones electroquímicas, con rendimientos superiores al 50%. La utilización de las pilas de combustible contribuirá a disminuir la contaminación medioambiental evitando los inconvenientes del motor de combustión, las emisiones de CO2 y otros gases (NOX, CO, óxidos de azufre, etc.) y de partículas sólidas que provocan serios problemas ambientales. El agua es el único subproducto de la reacción en las pilas de combustible.

La Red Temática de Pilas de Combustible del CSIC tiene por objetivo el avance en el conocimiento de los procesos de fabricación y las propiedades de los componentes, y las aplicaciones y la transferencia de la tecnología de las pilas de combustible, en particular la del hidrógeno, a la industria para su producción y comercialización como generador eléctrico competitivo.

La investigación química también contribuye a la disminución de la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera desarrollando procesos que supriman o minimicen su emisión y buscando métodos para su captura o transformación.

Captación de CO2

La captación de CO2 consiste en su separación de los gases de combustión producidos por una central térmica u otro tipo de industria, para una vez comprimido en estado puro inyectarlo a formaciones geológicas profundas (almacenamiento) donde permanezca en estado supercrítico (densidad líquido y viscosidad gas) durante miles de años. Las zonas de inyección más adecuadas son: depósitos de petróleo y gas agotados, capas de carbón de difícil explotación, y formaciones geológicas porosas y permeables con agua salada. La implementación de esta opción implicaría un aumento de la factura de la electricidad inferior al 30%.

Aproximadamente el 60% de las emisiones de CO2 generadas por el ser humano provienen de grandes fuentes fijas como centrales térmicas, refinerías y otras industrias. Es en estas instalaciones donde resulta más fácil su captación. El CO2 de los humos está generalmente diluido en grandes cantidades de otros gases y es necesario concentrarlo para posteriormente poder almacenarlo. La separación supone el 75% del total del coste del proceso. El objetivo es conseguir una corriente de CO2 puro.

Existen diferentes opciones tecnológicas para la separación del CO2 de la corriente de gas que se emite a la atmósfera:
• Post-combustión: consiste en eliminar el CO2 de los gases a la salida de la caldera
• Pre-combustión: consiste en eliminar el CO2 del combustible antes de quemarlo
• Oxicombustión: consiste en quemar con oxígeno puro en lugar de aire para obtener como subproducto un corriente de CO2 puro

En el Instituto Nacional del Carbón (INCAR) se investiga sobre la captación de CO2 mediante ciclos de calcinación – carbonatación. Este proceso se basa en el empleo de caliza natural. La caliza se puede descomponer térmicamente produciendo CaO (cal) y CO2. De forma inversa, el CO2 puede reaccionar con cal para formar carbonato. El proceso investigado en el INCAR consiste en poner en contacto en el carbonatador a las partículas de cal con una corriente de gases que contenga de CO2. La cal capta el CO2 transportándolo en forma de carbonato al calcinador, donde al quemarlo se libera el CO2 puro, con lo que se consigue separar este gas de la corriente principal de humos. La cal producida en el calcinador se reintroduce en el carbonatador para un nuevo ciclo de separación.

Un poco de historia

La Química atmosférica ha desempeñado un papel fundamental aportando conocimientos sobre el comportamiento de los contaminantes lanzados a la atmósfera y su influencia sobre procesos tan destacados como el cambio climático o la destrucción de la capa de ozono.

Hace ya cerca de un siglo, Arrhenius (Premio Nobel de Química en 1903) realizó cálculos sobre la cantidad de CO2 en la atmósfera y la relacionó con la temperatura terrestre. Predijo que si la cantidad de CO2 se doblase, la temperatura terrestre aumentaría en 2º C. Basándose en datos de producción industrial de su época, predijo que serían necesarios varios siglos para que esto sucediese. Sus previsiones se quedaron cortas y han bastado menos de cien años para llegar a esas cifras.

Otro de los temas de estudio para la Química atmosférica ha sido la extensión de la capa de ozono, su grosor, y su dinámica estacional. A lo largo de la historia se han realizado mediciones regulares sobre distintos lugares del planeta, entre ellos la Antartida, el océano Glacial Ártico o la estación de la localidad suiza de Arosa, en la que se efectúan controles regulares de ozono desde 1926, y que representa la serie temporal de medidas de ozono más antigua.

La Química también se ha encargado de resolver incógnitas sobre los procesos de formación y destrucción de la capa ozono. S. Chapman en 1930 desarrolló las ecuaciones de formación y destrucción del ozono que llevan su nombre y que incluían exclusivamente el oxígeno y la radiación ultravioleta. Las ecuaciones de Chapman reflejan como el ozono absorbe la banda de la radiación solar del ultravioleta B y C transformándose en oxígeno molecular (O2) y oxígeno atómico. Éste se vuelve a combinar con oxígeno molecular volviendo a generar ozono, produciendo calor. Chapman describió este proceso global mediante el cual la radiación ultravioleta se transforma en calor, regenerando ozono que vuelve a participar en el ciclo.

Después del trabajo de Chapman se fueron describiendo otras sustancias gaseosas, presentes de forma natural en la atmósfera, que actuaban combinándose con el ozono (O3) disociándolo:

X + O3 -> XO + O2 donde X puede ser H, NO, OH, Cl, I y Br.

La presencia natural de estos compuestos en la atmósfera y su papel en la destrucción del ozono ayudaron a explicar que los niveles de ozono fueran más bajos de lo que se predecía únicamente como resultado de las reacciones del oxígeno y la radiación ultravioleta descritas por Chapman.

En 1970, el profesor P. Crutzen describió las reacciones de disociación del ozono en las que interviene el nitrógeno, en concreto el NO. Además, Crutzen puso de manifiesto un problema: que las emisiones de óxido nitroso, un gas estable de larga vida producido por las bacterias del suelo, habían aumentado a raíz del uso de fertilizantes y podían dar lugar a un aumento del NO en la estratosfera, lo que conduciría a una reducción del ozono. De esta forma Crutzen fue el primero en identificar la actividad humana como un factor que podía alterar la composición atmosférica resultando en destrucción de ozono. Posteriormente Crutzen, y de manera independiente, H. Johnston identificaron que los vuelos de los aviones supersónicos contribuían también a las emisiones de NO.

En 1974, Rowland y Molina describieron el papel del Cl atmosférico en la disociación del O3 estratosférico. Además indicaron que las emisiones de compuestos orgánicos halógenos del cloro (gases de larga vida, como los CFC utilizados en sistemas de refrigeración) podrían estar disminuyendo la concentración de ozono estratosférico. Al alcanzar la estratosfera, los CFC son disociados por la radiación UV, formándose Cl libre, que reacciona con el ozono, destruyéndolo. La teoría de Rowland- Molina fue muy discutida por la industria de aerosoles y halocarburos, que la calificó de “ciencia ficción”. Sin embargo, otros investigadores añadieron pruebas de laboratorio y medidas de radicales de cloro en la atmósfera que apoyaban dicha teoría, relacionando los CFC con el deterioro del ozono. Las predicciones no eran muy optimistas: si continuaban las emisiones de CFC, la capa de ozono podría reducirse al 30-50% para el año 2050.
En los años ochenta, los científicos que estudiaban la capa de ozono en la estación británica de Halley, en la Antártida, constataron que la concentración de ozono disminuía; el descenso que midieron fue tan elevado, que pensaron que no podía deberse a una reducción real, sino a un fallo en las sondas. En 1985, la revista Nature publicó el descubrimiento, por parte de Farman, Gardiner y Shanklin, del “agujero” de ozono antártico, llamado así por la enorme bajada detectada en la concentración de ozono estratosférico. Este descubrimiento supuso la confirmación de las teorías y predicciones de Crutzen, Molina y Rowlan, y supuso un aldabonazo para la comunidad científica, por las consecuencias que puede tener para la vida la pérdida de la capa de ozono.
El descenso en los valores de ozono no sólo se observó en la Antártica. La serie temporal de mediciones de la capa de ozono realizadas sobre Arosa mostraba a su vez una caída inequívoca en la concentración de ozono a partir de 1980, que ha seguido disminuyendo a una tasa aproximada de 2,9% por década. El deterioro de la capa de ozono era, por tanto, una realidad global y la conclusión fue que la ozonosfera se estaba deteriorando. La reacción fue contundente y mediante el tratado conocido como Protocolo de Montreal, firmado en 1987, los distintos gobiernos acordaron reducir las emisiones de CFC, enormemente restringidas desde entonces. Crutzen, Molina y Rowland ganaron el premio Nobel de Química en 1995 por su trabajo sobre el ozono estratosférico.