Transformar metano y CO₂ en materias primas: las claves de una investigación de la UNED

Convertir metano (CH₄) y dióxido de carbono (CO₂), dos de los principales gases de efecto invernadero, en productos químicos de alto valor añadido es el objetivo de una investigación liderada por la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED). El estudio, publicado en Chemical Engineering Journal Advances, profundiza en las limitaciones y oportunidades termodinámicas de este proceso y aporta información para el desarrollo de tecnologías capaces de aprovechar ambos gases como materias primas, evitando el paso intermedio por el gas de síntesis.

"La principal ventaja por encima de cualquier otra es que el metano y el dióxido de carbono empezarían a ser considerados recursos o materias primas valiosas, y dejarían de ser tratados como residuos que se emiten descontroladamente a la atmósfera", explica Francisco Ivars-Barceló, investigador de la UNED y coautor del estudio.

Del gas de efecto invernadero al producto químico

El trabajo, desarrollado por Elena Montejano Nares, Ángel Maroto Valiente, Esther Asedegbega Nieto y Francisco Ivars Barceló, parte del interés creciente por aprovechar el carbono contenido en el metano y el CO₂ para fabricar compuestos químicos de mayor valor, como ácido acético, etanol, dimetil éter o acetona.

Actualmente, la estrategia más extendida consiste en transformar primero ambos gases en gas de síntesis, una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno utilizada posteriormente como materia prima para diferentes procesos químicos. Sin embargo, esta etapa supone un elevado consumo energético y un incremento de los costes del proceso.

La alternativa analizada por el equipo de la UNED plantea una transformación directa de ambos gases hacia productos oxigenados de interés industrial, reduciendo la complejidad del proceso.

El estudio analiza la producción directa de ácido acético, acetona, etanol y dimetil éter a partir de metano y CO₂, evitando la etapa intermedia de generación de gas de síntesis.

Simulaciones para comprender los límites termodinámicos

Para evaluar la viabilidad del proceso, los investigadores emplearon el software de simulación Aspen Plus, con el que analizaron el comportamiento de las reacciones entre 300 y 1.000 kelvin y presiones comprendidas entre 1 y 150 atmósferas.

Las simulaciones muestran que, en condiciones ambientales y a baja presión, las reacciones son endotérmicas y no espontáneas, lo que implica importantes barreras termodinámicas. No obstante, también evidencian que la incorporación de otras especies químicas puede modificar el equilibrio del sistema y favorecer determinadas transformaciones.

El estudio pone además de manifiesto que las reacciones secundarias no afectan por igual a la obtención de los productos deseados. Mientras que la oxidación completa del metano no impide su formación en las condiciones estudiadas, las reacciones que generan monóxido de carbono sí compiten con ellos. En el caso del dimetil éter, su producción se reduce aproximadamente a la mitad cuando estas reacciones paralelas se incorporan a la simulación.

Los cálculos establecen asimismo un orden de viabilidad termodinámica para los productos analizados: ácido acético, acetona, etanol y dimetil éter, de mayor a menor.

La importancia de la catálisis

Los resultados complementan investigaciones experimentales previas desarrolladas por el mismo grupo, en las que consiguieron llevar a cabo la transformación directa de metano y CO₂ mediante catálisis heterogénea térmica empleando un nanocompuesto de AgPd₄-Fe₃-δO₄ como catalizador.

En esos experimentos, los investigadores obtuvieron principalmente acetona y dimetil éter, mientras que el ácido acético apareció en menor proporción, un comportamiento que difiere del previsto únicamente por la termodinámica.

Según explica Ivars-Barceló, esta diferencia demuestra que el equilibrio termodinámico establece los límites generales del sistema, pero que la cinética de reacción y el diseño del catalizador resultan determinantes para orientar la formación de unos productos frente a otros.

Las simulaciones confirman que la termodinámica marca las posibilidades del proceso, pero la selectividad final depende también de la cinética y del diseño del catalizador.

Próximos pasos hacia la aplicación práctica

Los autores destacan que las simulaciones representan escenarios teóricos y no condiciones directamente trasladables a escala experimental. Su principal utilidad consiste en identificar los condicionantes termodinámicos sobre los que posteriormente pueden actuar la química y el desarrollo de nuevos catalizadores.

En esta línea, el grupo ya trabaja en estrategias para incrementar tanto el rendimiento de la transformación del metano y el CO₂ como la selectividad hacia los productos de mayor interés industrial mediante el diseño de catalizadores más avanzados y la optimización de las condiciones de reacción.

La investigación ha sido financiada por la Agencia Estatal de Investigación (AEI) a través de los programas Ramón y Cajal, Consolidación Investigadora y un proyecto de Generación de Conocimiento.