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La búsqueda de alternativas al proceso Haber-Bosch explora incluso el uso de molino de bolas para la producción de amoniaco.

Hay una actividad humana que consume el 8,27% del total de la energía mundial que se produce.

Podríamos pensar que esa actividad sería el transporte aéreo u otras actividades más evidentes como Internet (que consume el 7% de la electricidad mundial), pero se trata de un asunto industrial: el proceso Haber-Bosch.

Este proceso químico es el que permite, desde hace más de 100 años, la síntesis del amoniaco a partir del hidrógeno y nitrógeno.

La reacción es muy lenta, pero se acelera con un catalizador de hierro y óxidos de aluminio y potasio. Además, se realiza con condiciones de alta presión (150-300 atmósferas) y altas temperaturas (400-500 Celsius). Sin embargo el rendimiento es muy pobre del 10 al 20%.

El amoniaco es un componente esencial a partir del cual se obtienen los fertilizantes químicos, pues oxidando el amoniaco se pueden obtener nitratos. El proceso Haber produce más de 100 millones de toneladas de fertilizantes de nitrógeno al año, de ahí el alto porcentaje de consumo de energía que tiene el proceso a escala global. Estos fertilizantes son responsables del sustento de más de un tercio de la población mundial debido a su elevado uso en agricultura o en la ganadería de forma indirecta. Los fertilizantes también produce numerosos problemas ambientales.

Pero, a pesar de toda la controversia que rodea a los fertilizantes minerales, el proceso Haber-Bosch realiza una contribución esencial para alimentar a la creciente población mundial.

El nitrógeno es un elemento abundante en el Universo y los aminoácidos de todas las proteínas de los seres vivos necesitan de este elemento químico. Aunque vivimos inmersos en una atmósfera rica en nitrógeno, este gas es bastante inerte y le cuesta reaccionar con otros elementos. Hay un cuello de botella en la productividad biológica que es el de la fijación de nitrógeno atmosférico. Las plantas por sí solas no pueden hacerlo y, por su puesto, tampoco ningún animal.

La fijación de nitrógeno se realiza en la Tierra gracias a algunos microorganismos procariotas. Esta función se encuentra muy repartida entre diferentes grupos de bacterias y algunas arqueobacterias. Además, es un proceso que consume mucha energía. Algunos de estos microrganismos viven en asociación con algunas plantas, como en las leguminosas (soja, guisante, alubias, trébol, alfalfa, etc.). Fuera de las leguminosas y que posean esta asociación hay sólo 22 géneros de arbustos leñosos, árboles de 8 familias, algunas herbáceas y casos raros como algún helecho, cica o líquenes.

Por tanto, la productividad agrícola actual depende fuertemente de los fertilizantes artificiales, que proporcionan nitratos en cantidades muy por encima de lo que el proceso de fijación natural puede dar.

Con un rendimiento del 10-20% en el proceso Haber-Bosch parece que debería de haber un gran margen de mejora en ese consumo de más del 8% de toda la energía.

Los químicos están obsesionados desde hace 100 años en mejorar este proceso. Les gustaría prescindir de las duras condiciones de reacción y de la gran cantidad de energía requerida. Se han realizado considerables esfuerzos para encontrar un método alternativo de producción: otros catalizadores, luz como fuente de energía, electrólisis e incluso mecanocatálisis, que son procesos que tienen lugar en un molino de bolas. Pero estos métodos han producido solo cantidades mínimas de amoniaco o no han podido ser escalados hasta el nivel industrial.

Recientemente, debido a que el amoniaco podría ser un medio de almacenamiento de hidrógeno producido con energía renovable, se han realizado más esfuerzos en conseguir amoniaco de una manera eficiente, pues usar el proceso Haber-Bosch tal cual sería absurdo.

Ahora, unos científicos del Max Planck han encontrado una manera sorprendentemente simple de producir amoniaco a temperatura ambiente, e incluso a presión relativamente baja, por lo que serían en condiciones mucho más suaves que las requeridas para el proceso Haber-Bosch.

Los reactivos se pasan a través de un molino que muele el catalizador utilizado para facilitar la reacción entre el nitrógeno inerte y el hidrógeno. El resultado es una corriente fina pero continua de amoniaco.

Steffen Reichle, cuando planeó sus experimentos en el molino, no esperaba obtener grandes cantidades de amoniaco. «Al principio, me preocupaba principalmente cómo detectar cantidades muy pequeñas de amoniaco», dice el químico. A presión atmosférica, el gas se formó solo con una fracción en volumen de alrededor del 0,1%. Sin embargo, a 20 bar, se produjo al 0,26 por ciento en volumen y en condiciones optimizadas adicionales, al 0,4 por ciento. Eso es suficiente para poder detectar el producto con métodos de medición convencionales y ciertamente en más cantidad que la esperada.

Reichle también diseñó el proceso de tal manera que la materia prima pueda pasar continuamente a través del molino de bolas y que el amoniaco fluya de manera constante hacia fuera del recipiente de reacción. La industria química prefiere estos procesos porque son más fáciles de manejar que aquellos en los que los reactivos deben combinarse en porciones en un recipiente cerrado y la reacción debe interrumpirse constantemente para extraer y aislar el producto.

Estos químicos lograron un rendimiento relativamente alto en la síntesis de amoniaco en el molino de bolas buscando usaron el catalizador óptimo. Específicamente, querían mejorar los efectos del hierro del proceso Haber-Bosch. Así que lo que hicieron fue mezclar cesio con polvo de hierro. Este catalizador, activado por las fuerza mecánica de las bolas de molienda, lograba combinar el nitrógeno inerte con el hidrógeno incluso en condiciones relativamente suaves.

Los investigadores tienen varias explicaciones posibles para el efecto estimulante del cesio. Sin embargo, todavía se desconoce por qué el proceso de molienda impulsa la reacción. Ahora quieren llegar al fondo de eso. «Si logramos una mejor comprensión de lo que sucede exactamente en el proceso, es posible que podamos encontrar una manera de aumentar aún más el rendimiento de amoníaco», dice Ferdi Schüth.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Foto: Frank Vinken.