14.1: Alimentar la antrosfera

A medida que la revolución industrial cobró impulso desde aproximadamente 1800, y especialmente desde aproximadamente 1900 con el desarrollo de la industria química, la antrosfera desarrolló un voraz apetito por los materiales. Esto es especialmente cierto en la vasta industria petroquímica alimentada con materiales del petróleo y que produce enormes cantidades de polímeros, plásticos, detergentes sintéticos, productos químicos agrícolas y muchos otros productos. La era de los petroquímicos debe llegar a su fin porque las fuentes de petróleo no pueden sostener el enorme apetito de la antrosfera por los petroquímicos. La demanda de los tipos de productos que ahora se producen a partir del petróleo no desaparecerá, por lo que habrá que satisfacer medios alternos de proporcionar los materiales deseados por los humanos. La única alternativa real son los biomateriales que de hecho proporcionaron la mayoría de las cosas que los humanos usaban hasta hace muy poco en la historia de la humanidad. Aunque desafiante, este cambio en las fuentes de materias primas promete ser muy emocionante para la química. Y brinda una oportunidad para que los químicos e ingenieros “lo hagan bien” aplicando los principios de la química verde, la ingeniería verde y la ecología industrial de manera que garanticen un futuro sustentable.

Materias primas

Recordemos del Capítulo 13, Sección 13.15 que las materias primas son los principales ingredientes que entran en la producción de productos químicos. Los reactivos actúan sobre las materias primas y a menudo los dos no se distinguen fácilmente. La selección de materia prima dicta en gran medida las reacciones y condiciones que se emplearán en una síntesis química y, por lo tanto, es de suma importancia en la práctica de la química verde. Una materia prima debe ser lo más segura posible. La fuente de una materia prima puede determinar en gran medida su impacto ambiental, y la adquisición de la materia prima no debe forzar los recursos de la Tierra. El proceso de aislamiento y concentración de una materia prima puede aumentar el daño potencial de materiales que de otro modo serían seguros. Esto es cierto para algunos minerales metálicos en los que se utilizan reactivos corrosivos y tóxicos (en el caso del oro, cianuro) para aislar el material deseado.

Por regla general, lo mejor es que las materias primas provengan de fuentes renovables en lugar de recursos agotables. Una materia prima de biomasa, por ejemplo, se puede obtener como un recurso renovable cultivado por plantas en tierra, mientras que una materia prima a base de petróleo se obtiene a partir de recursos de petróleo crudo agotables. Sin embargo, las compensaciones ambientales entre estas dos fuentes pueden ser más complejas de lo que parece inicialmente, ya que la materia prima de petróleo puede simplemente bombearse desde unos pocos pozos en Arabia Saudita, mientras que la biomasa puede requerir grandes áreas de tierra, cantidades significativas de fertilizantes y grandes volúmenes de riego agua para su producción. Otra decisión importante es si la materia prima debe estar hecha completamente de materiales vírgenes o al menos en parte de material reciclado.

En Estados Unidos el petróleo equivale a todo menos alrededor del dos por ciento de la materia prima utilizada para la fabricación de productos químicos orgánicos y los muchos productos elaborados a partir de ellos, como textiles, plásticos y caucho. Hasta cierto punto, el petróleo es una materia prima ideal para este propósito; durante los últimos 100 años ha estado fácilmente disponible y relativamente barato, excepto en tiempos de interrupción temporal del suministro. Hay, por supuesto, desventajas en el uso del petróleo como materia prima, entre las cuales no menos importante es el hecho de que eventualmente se agotarán los suministros disponibles. El transporte y refinación del petróleo consumen grandes cantidades de energía, lo que equivale a más del 15 por ciento del consumo total de energía en Estados Unidos. Químicamente, una consideración con el uso del petróleo como materia prima es que las moléculas de hidrocarburos que componen el petróleo se encuentran en un estado químico altamente reducido. Para ser utilizados como materias primas, los hidrocarburos de petróleo a menudo deben oxidarse. El proceso de oxidación (ver Sección 13.15) conlleva un consumo neto de energía y a menudo requiere el uso de reactivos severos y peligrosos. Aunque los procesos de oxidación comúnmente utilizados están bien contenidos y son seguros, siempre existe la consideración de posibles peligros de combustión y explosión en la oxidación parcial del petróleo.

Gran parte del desafío y el daño ambiental potencial en la obtención de materias primas está en separar la materia prima de otros materiales. Esto es ciertamente cierto con el petróleo, que consiste en muchos hidrocarburos diferentes, solo uno de los cuales puede ser necesario como materia prima para un tipo particular de producto. Algunos metales ocurren a niveles inferiores al 1% en sus minerales, requiriendo medios intensivos en energía para separar los metales de grandes cantidades de roca. La fundición de minerales de cobre y plomo libera cantidades significativas de impurezas de arsénico con el polvo de combustión, que deben recogerse de la operación de fundición. En efecto, este subproducto arsénico aporta más que suficiente del arsénico necesario en el comercio. Los materiales de base biológica también son generalmente mezclas que requieren separación. La celulosa de la madera, que puede convertirse en papel y una variedad de productos químicos, se mezcla íntimamente con lignina, de la cual se separa solo con dificultad.

Al evaluar la idoneidad de una materia prima, no es suficiente considerar solo los peligros atribuibles a la propia materia prima y su adquisición. Esto se debe a que las diferentes materias primas requieren diferentes operaciones de procesamiento y síntesis aguas abajo que pueden aumentar sus peligros. Si la materia prima A requiere el uso de un material particularmente peligroso para convertirla en producto, mientras que la materia prima B puede procesarse mediante procesos relativamente benignos, se debe elegir la materia prima B. Este tipo de consideraciones apunta a la importancia de considerar todo el ciclo de vida de los materiales en lugar de solo un aspecto de ellos.