Tecnologias verdes, reacciones, microondas, sonoquimica y electroquimica

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Diseños para eficiencia
energética
Dra. M. Cartagena
CHEM 3370 –Química Verde
Introducción
• Muchos procesos químicos utilizan fuentes de
energía térmica que se originan de los combustibles
fósiles o nucleares.
• Mucha de la energía es desperdiciada en calentar
reactores entre otras cosas.
• Para algunos procesos alternativos, más específicos,
otras formas de energía pudieran beneficiarlos.
• Ej. Energía fotoquímica, energía microonda, entre otros
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Fotoquímica
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• Reacción química
causada por la
absorción de luz
ultravioleta, visible o
infrarroja.
• Fotoexcitación - el
reactante es elevado a
un estado de mayor
energía y un estado
excitado. Una molécula
excitada es más
reactiva que una
molécula en su estado
fundamental.
• Grotthuss–Draper law - luz
debe ser absorbida por una
sustancia química para que
una reacción fotoquímica
se lleve a cabo.
• Stark-Einstein law - por
cada fotón de luz absorbida
por un sistema químico, no
más de una molécula es
activada para una reacción
fotoquímica, según definido
por el rendimiento cuántico.
Fotoquímica
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Fotoquímica
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• Fotones no dejan
residuos.
• Energía dirigida –
bajas temperaturas,
altas selectividades
• Vías de reacción
solamente disponibles
a través de procesos
fotoquímicos. (vía
rápida y directa)
• Sucio del reactor - la acumulación
de material no deseado en las
superficies sólidas en detrimento de
la función.
• Tansiciones electrónicas requieren
luz monocromática – disminuye la
eficiencia energética y aumenta el
costo del proceso.
• Fuentes de luz costosas
• Implicaciones prácticas
Ventajas
Retos
Reacciones fotoquímicas
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Reacciones fotoquímicas
• Es una reacción inducida
por la luz, en donde
generalmente, actúa
produciendo radicales
libres en las moléculas,
como radicales HO.
• Estas reacciones ocurren
con frecuencia en la
atmósfera y tienen un
papel importante en la
formación de
contaminantes
secundarios a partir de
gases emitidos por
combustiones y
actividades humanas,
como los óxidos de
nitrógeno (NOx) y los
hidrocarburos. Caprolactama –
fabricación de 
polímeros
Ejemplo de reacción fotoquímica
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Microondas
• En un proceso de síntesis por microondas
existe un perfil inverso de temperatura
comparado con los métodos
convencionales.
• El calentamiento ocurre por conversión
en lugar de por transferencia de
energía.
• La aplicación de esta forma de energía
dentro de los procesos químicos constituye
una interesante oportunidad para
desarrollar transformaciones novedosas y
concretar reacciones las cuales no tienen
lugar bajo condiciones térmicas
convencionales.
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Reacciones asistidas por
microondas
• Polarización dipolar y convección iónica
• Supercalentamiento disminuye el tiempo
de reacción
• Necesita monitorearse porque se corre
el riesgo de explosión
• Solamente en hornos multimodales
(caseros)
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Ejemplos de reacciones usando
microonda
OEt OEt
O
+NR3I
-
O
water / CHCl3
mw, 1 min, 97%
NH2 O OH O
20% H2SO4
reflux: 1 h, 90%
mw, 7 min, > 99%
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Ventajas uso del microonda
• Para síntesis de productos presenta grandes beneficios tales
como:
• ahorro energético
• tiempos cortos de procesamiento
• mayor rendimiento
• procedimientos más económicos y respetuosos con el medio ambiente
• disminuir tiempos de reacción
• evitar la obtención de productos colaterales
• reducir procesos de purificación
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Sonoquímica
• Es una rama de la química
que estudia la capacidad de
la energía transportada por
las ondas sonoras para
provocar y acelerar
reacciones químicas.
• Ondas de ultrasonido tienen
frecuencias entre 20 – 100
kHz.
• Muchas aplicaciones en
limpieza, ingeniería y
biología.
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Sonoquímica
• Cuando las ondas de ultrasonido actúan sobre un líquido, se generan en
él miles de pequeñas burbujas las cuales producen alteraciones de
presión y temperatura.
• Lo poco que dura la "vida" de estas burbujas son suficientes para que en
su interior se produzcan multitud de reacciones químicas, y pueden
llegar a cambiar radicalmente la estructura química del líquido.
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Aplicaciones de la sonoquímica
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• Uso analítico
• a partir de técnicas sonoquímicas aplicadas sobre ciertos materiales
pueden producirse fenómenos de quimioluminiscencia, emitiendo
radiaciones luminosas que pueden ser utilizadas como medio analítico.
• Tratamiento de residuos y aguas residuales.
• Control de la contaminación del aire o la limpieza de superficies.
• Obtención de biodiesel o la separación del hidrógeno de algunos
compuestos.
• La sonoquímica también puede aplicarse en medicina, ya que los
ultrasonidos focalizados en un punto pueden destruir células de
cáncer, y también eliminar coágulos y tratar la tensión muscular.
• Uso de cantidades menores de disolventes
peligrosos.
• Menor consumo de energía.
• Incremento de la selectividad de los productos.
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Ventajas de la sonoquímica
Estas características han sido suficiente para
incluirlo en la Química Verde.
Futuro de la 
Química Verde: 
Ejemplos de 
aplicación
industrial
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Casos en los que se utiliza la Química 
Verde
• Davy Processes Technology
• desarrolló una nueva ruta para la producción de acetato de
etilo.
• El uso de acetato de etilo como solvente en la industria se
ha incrementado en los últimos años debido principalmente
a que está reemplazando a materiales peligrosos y
contaminantes del ambiente, como metil etil cetona y metil
isobutil cetona.
• Esta compañía ofrece una ruta para producir acetato de
etilo a partir de alcohol, sin hacer uso de ácido acético.
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• Síntesis de ácido acetilsalicílico
• Se debe observar la producción del sub-producto peligroso
H2SO4.
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Casos en los que se utiliza la Química 
Verde
Ingrid Montes, David Sanabria, Marilyn García, Joaudimir Castro, Johanna Fajardo, Journal of 
Chemical Education, Vol. 83 No. 4, April 2006
• La industria farmacéutica es una de las mayores
generadoras de desechos.
• La compañía Pfizer de Estados Unidos desarrolló el
compuesto denominado citrato de sildenaftilo, mejor
conocido como Viagra®.
• El primer proceso industrial de obtención del Viagra
generaba 22 litros de disolventes por cada kilogramo de
producto.
• Mejoras subsecuentes en el proceso redujeron los
disolventes a sólo 7 litros de residuo por kilogramo de
producto. Esta es una mejora notoria que satisface el
principio 5.
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Casos en los que se utiliza la Química 
Verde
Comercializado por Pfizer
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Casos en los que se utiliza la Química 
Verde
Citrato de sildenafil (Viagra ®)
• Beneficios:
• Reducción de la exposición de los trabajadores y de la toxicidad (se eliminó
piridina del proceso).
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Casos en los que se utiliza la Química Verde
Síntesis 
Verde de 
Viagra
Antes
6 tipos de 
disolventes, 
125,000L 
Producían residuos 
de 1,000L de 
disolventes 
orgánicos por kg de 
Citrato de sildenafil
Después
2 tipos de 
disolventes, 
13,500 L
Producían residuos 
de 2L de 
disolventes 
orgánicos por kg de 
Citrato de sildenafil
Industria de producción de papel
• La producción de papel requiere el empleo de algún agente que blanquee la
pulpa.
• Tradicionalmente se ha utilizado como blanqueador el cloro.
• Es un compuesto sumamente tóxico y corrosivo.
• Genera residuos organoclorados que se sabe son poderosos agentes
carcinógenos y teratógenos.
• Estos subproductos son eliminados hacia los efluentes acuosos en el
proceso de obtención delpapel.
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No está completo
• Se ha desarrollado una tecnología que permite
blanquear la pulpa utilizando como reactivo el agua
oxigenada.
• En el proceso de blanqueo el único subproducto es
simplemente agua, lo que resulta en un proceso
mucho más amigable con el ambiente (principios 1, 3
y 4).
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Industria de producción de papel
• En términos generales, los plásticos derivados del
petróleo tardan cientos de años en degradarse,
generándose de esta manera una contaminación
enorme por la acumulación de estos productos.
• En el año 1997 la compañía Cargill desarrolló una
tecnología por la cual se producen plásticos
biodegradables usando como materia prima el ácido
láctico subproducto de la industria lechera o producido
por fermentación de biomasa (principios 7 y 10).
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Industria de producción de papel
2018 Green Chemistry 
Challenge Award 
Winners
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Corteva Agriscience™ Agriculture 
Division of DowDuPont ™
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Corteva Agriscience™ Agriculture 
Division of DowDuPont ™