A través de un proceso conocido como pilarización en medio concentrado, las arcillas pueden adquirir cualidades que les permitirían actuar como catalizadores para transformar moléculas complejas de productos petroleros.

Es por ello que aprovechar materiales naturales como las arcillas, más allá del mundo de la cerámica, fue el propósito de Anderson Castro Carreño, magíster en Ciencias - Química de la Universidad Nacional (U.N.) e integrante del grupo de investigación Estado Sólido y Catálisis Ambiental  (ESCA), dirigido por los profesores Sonia Moreno y Rafael Molina.

Con el fin de suministrar una alternativa ecológica y limpia que disminuyera costos y mejorara el uso de estos materiales en la industria química, el investigador optimizó el proceso mediante el cual se potencian propiedades de este sedimento, permitiéndole funcionar como catalizador en algunas reacciones de interés industrial y ambiental en las que se mejora la calidad de los hidrocarburos y se avanza en el conocimiento sobre moléculas pesadas como las del petróleo.

Durante el procedimiento se forman pilares en medio de las láminas que componen la arcilla. Esas “columnas” en el espacio interlaminar poseen características químicas particulares que le permiten a la arcilla convertirse en un agente catalítico que facilita reacciones -como la hidroconversión de alcanos- necesarias para el refinamiento de hidrocarburos.

Los catalizadores ácidos, como los que se obtienen con la pilarización de las arcillas, son fundamentales en estos procesos para convertir productos pesados -como los que se tienen en los fondos de vacío (productos de la refinación del petróleo)- en sustancias menos complejas y pesadas.

“La pilarización es un proceso de modificación de las arcillas mediante el cual se intercambian los átomos conocidos como especies catiónicas naturales -presentes en medio de las láminas que componen este material- por unos agentes pilarizantes que tienen unas propiedades químicas y catalíticas específicas”, explica el magíster.

Este proceso, que se llevó a cabo con arcillas ácidas muy comunes en el país como la bentonita y la vermiculita, se complementa con un tratamiento térmico que permite la formación y fijación de los pilares de especies catalíticas.

“Estas arcillas tienen una estructura en la que sus láminas son tetraedros-octaedros-tetraedros (tipo TOT o 2-1), lo cual favorece su modificación con la pilarización para potenciar y aprovechar las propiedades intrínsecas de estos materiales”, asegura el investigador Castro.

Menos tiempo y menos agua

Durante la pilarización, las arcillas se modificaron con suspensiones concentradas y un agente pilarizante compuesto principalmente por aluminio Keggin, polímero de aluminio de gran tamaño obtenido a partir de la hidrólisis de una sal precursora y bajo estrictas condiciones experimentales, con el que se generaron materiales altamente porosos, con elevada estabilidad hidrotérmica y con propiedades catalíticas mejoradas.

Según explica el investigador, en su trabajo se sintetizan por primera vez polímeros mixtos de Al-Zr (aluminio y circonio) con cantidades variables y crecientes de ese último elemento, en la pilarización de las arcillas. Con dicho proceso se obtuvieron sólidos con características mejoradas y comparables a los sintetizados por métodos convencionales, pero empleando tiempos y volúmenes de agua considerablemente menores.

“El precursor pilarizante de aluminio Keggin ha sido comúnmente utilizado en estado líquido, pero en esta ocasión lo empleamos en estado sólido”, señala el magíster, quien comenta que cuando se lleva a cabo la síntesis en estado líquido hay grandes consumos de agua y tiempo durante el desarrollo de los procedimientos de síntesis.

Tales condiciones también se mejoraron gracias al uso de una membrana de diálisis, que permite que el proceso difusivo se lleve a cabo con menos agua, y al empleo de la técnica de ultrasonido, con la que se mejoró el transporte de las especies pilarizantes, reduciendo el tiempo de intercalación con respecto a los métodos convencionales.

Los positivos resultados de esta investigación se han presentado en eventos como el X Simposio Colombiano de Catálisis Tunja (Boyacá) y el Congreso Iberoamericano de Catálisis (CICAT) de 2018, celebrado en Coimbra-Portugal