martes, 26 de noviembre de 2013

Marie Stopes

Esta entrada también aparece publicada en Naukas y es mi primera aportación como colaboradora oficial.



Marie Stopes (1880-1958) fue una paleobotánica británica a la que se conoce, más que por sus méritos científicos, por haber sido pionera en el campo del control de la natalidad, siendo la responsable de la apertura de la primera clínica de planificación familiar de UK en 1921. De hecho, la organización que fundó (Marie Stopes International) sigue operando como ONG en más de 40 países, promoviendo el cuidado de la salud sexual, reproductiva y maternal.



Pero este es un blog de ciencia, así que no se vayan todavía, aún hay más.



Marie Stopes era hija de un eminente paleobotánico y se graduó con honores en el University College de Londres en Geología y Botánica en 1902. Posteriormente se trasladó a la Universidad de Munich donde se doctoró en paleobotánica en 1904, fue la primera mujer que se doctoró en dicha universidad y tuvieron que cambiar las normas para que pudiera hacerlo. Volvió a Inglaterra convertida en la persona que se había doctorado con menor edad y se incorporó a la Universidad de Manchester, donde pronto sus intereses investigadores se dirigieron hacia el estudio de fósiles en carbón, campo en el que había trabajado en Londres con anterioridad a su doctorado (¿veis por dónde os quiero llevar?). Marie Stopes siguió rompiendo moldes y en 1907 consiguió financiación de la Royal Society para emprender una estancia de investigación en Japón de 18 meses.


 
Marie Stopes en su laboratorio, alrededor de 1904


El interés de Marie Stopes por el carbón se mantuvo a lo largo de los años, incluso independientemente de su dedicación a la paleobotánica. Tras la primera Guerra Mundial, para Inglaterra la investigación en carbón era de gran importancia estratégica y económica y Marie Stopes, junto con Richard V. Wheeler, se interesó por las propiedades físicas del material, por su estructura, definiendo en 1919 los “cuatro ingredientes visibles del carbón”, los litotipos denominados vitreno (bandas brillantes y quebradizas), dureno (zonas compactas y mate), clareno (bandas mates y brillantes) y fuseno (bandas que tiznan con aspecto fibroso). En 1935 acuñó el término maceral , y este esquema de clasificación se adoptó en una conferencia en Heerlen (Países Bajos), denominándose esquema Stopes-Heerlen, que con diversas modificaciones y ampliaciones aún se utiliza en la actualidad.



Según sus propias palabras: I now propose the new word ‘‘Maceral’’ (from the Latin macerare, to macerate) as a distinctive and comprehensive word tallying with the word ‘‘mineral’’. Its derivation from the Latin word to ‘‘macerate’’ appears to make it peculiarly applicable to coal, for whatever the original nature of the coals, they now all consist of the macerated fragments of vegetation, accumulated under water. The word ‘‘macerals’’ will, I hope, be accepted as a pleasantly sounding parallel to the word ‘‘minerals,’’ conveying the suggestion of the fundamental difference between them (MC Stopes, Fuel 14, 4 –13, 1935)



Pero ¿qué es un maceral? y ¿para qué sirve?



El término maceral designa a las entidades orgánicas discretas del carbón, solo identificables al microscopio óptico. Los distintos macerales se definen, por tanto, atendiendo a características ópticas, como son forma, tamaño, color, reflectancia, dureza, relieve de pulido, en condiciones de observación predefinidas. Por convención, todos los macerales del carbón tienen nombres terminados en -inita.

Los macerales difieren de los minerales, constituyentes de las rocas inorgánicas, en que no poseen una estructura cristalina y varían considerablemente en su composición química. Estos macerales se clasifican en tres grupos macerales que difieren en composición química y propiedades ópticas: vitrinita, liptinita e inertinita.
 Imagen al microscopio de un carbón



Grupo liptinita: posee el color más oscuro y un mayor contenido en hidrógeno que se halla formando parte de compuestos preferentemente alifáticos. Deriva de organismos específicos (algas, bacterias) o de partes de plantas superiores caracterizadas por un elevado contenido en hidrógeno.

Grupo huminita/vitrinita: de color gris intermedio, tiene el contenido más alto en oxígeno y su estructura química se halla formada por compuestos aromáticos e hidroaromáticas a bajos rangos. Al aumentar el rango aumenta la aromaticidad, la condensación y el ordenamiento de las unidades poliaromáticas. Los macerales de este grupo derivan de las sustancias húmicas originadas a partir de la celulosa y la lignina presentes en los tejidos de las plantas superiores  (ramas, brotes, raíces, tallos, hojas).

Grupo inertinita: tiene comparativamente el color más claro y el mayor contenido en carbono de los tres grupos. Está formado fundamentalmente por compuestos aromáticos con elevado nivel de entrecruzamiento. Incluye macerales de diverso origen alterados por procesos redox o bioquímicos.


De izquierda a derecha: vitrinita, inertinita, liptinita



La relación entre los distintos grupos es cuantificable y dado que la composición maceral de un carbón depende del periodo en el que se formó, un análisis petrográfico nos puede dar pistas sobre la procedencia de un carbón. Por otra parte, la presencia en mayor medida de uno u otro tipo de maceral, está relacionada con el comportamiento del carbón durante su combustión o la carbonización, lo que condiciona la posibilidad de utilización de un carbón determinado, por ejemplo, para la fabricación de coque.



Las imágenes de microscopía de este artículo han sido proporcionadas por la Dra. Ángeles G. Borrego, del INCAR, gracias Ángeles.













AC Scott, Int. J. Coal Geology, 50, 119-134, 2002

MC Stopes, Fuel 14, 4 –13, 1935

AG Borrego, Petrografía y Origen del Carbón, material del curso Tendencias actuales en la utilización y conversión del carbón, INCAR, 2012




viernes, 22 de noviembre de 2013

Feliz cumpleaños, abuela

Hoy es el cumpleaños de mi abuela. Nunca le ha gustado reconocer los años que tiene, así que no seré yo quien lo deje aquí escrito.
Nació en el primer cuarto del siglo XX y estudió Filosofía y Letras en la Universidad de Oviedo en la postguerra. Mi padre era el mayor de sus tres hijos.
Siempre se ha quejado de escasez de mujeres en su entorno, en plan "una madre, una hermana, una hija, una nieta" a pesar de las dos nueras. En el tema bisnietos sigue de momento la tendencia: dos hijos (una hija), dos nietos (una nieta), dos bisnietos (¿¿hermano sabes lo que te toca?? ).

Pues abuela, feliz cumpleaños, iremos a verte por la tarde los niños y yo. Quique igual te lleva un dibujo, que sepas que lo primero que le dijo a su padre al despertarse fue: "Hoy es el cumple de la bisa".

Eras muy de Quique, pero Pedro te tiene completamente conquistada
Ah y otra cosa, te quiero abuela.

miércoles, 20 de noviembre de 2013

El carbón (y la ciencia del carbón) III. Carbones activos

El carbón activo es un material de carbono poroso y el compuesto sintético de carbón que primero aprendimos a fabricar. De hecho es difícil determinar con exactitud cuándo comenzamos a utilizarlos, aunque las aplicaciones para las que se utilizaron son las mismas para las que se emplean en la actualidad. Bien es cierto que ahora somos capaces de desarrollar materiales con las características deseadas, mientras que en los inicios de su uso la aproximación era más grosera, como es lógico. En cualquier caso, existen evidencias que indican que ya en el 1550 AC se utilizaba el carbón vegetal como adsorbente en determinadas prácticas médicas. Hipócrates alrededor del 400 AC recomendaba filtrar el agua con carbón vegetal para eliminar olores. Sin embargo, las primeras aplicaciones para el tratamiento de olores de gases son de finales del siglo XVIII. En 1794 se utilizó el carbón activo como agente decolorante en la industria azucarera, lo que supone el primer uso industrial. Y a mediados del siglo XIX, en 1854 se instalan filtros de carbón vegetal en las cloacas de Londres lo que constituye la primera aplicación a gran escala.
Ejemplos de algunos usos cotidianos del carbón activo: plantillas desodorizantes, mascarilla y máscaras contra olores orgánicos, medicamentos antidiarreicos.




Filtro de carbón para grifos, botellas para agua, filtro para acuarios
 

En la actualidad la utilización del carbón activo como adsorbente de contaminantes en fase gaseosa o acuosa es la más importante en volumen. En función de las propiedades finales del material, principalmente superficie, volumen y tamaño de poros, se pueden utilizar para eliminar distintos contaminantes, para separar mezclas de gases, para depurar agua o para eliminar compuestos tóxicos de nuestros estómagos. También se utiliza como catalizador o soporte de catalizadores. Además también es posible obtenerlo con distintas morfologías, siendo los más habituales el carbón granular, pulverulento o peletizado. También existen telas de carbón activo, monolitos y membranas, lo que facilita su manejo.


Carbones activos granulares, pulverulentos y en pellets; telas de carbón activo; monolitos de carbón activo


Fabricación de carbones activos.

Existen diversos procedimientos para la fabricación de carbones activos partiendo de prácticamente todo tipo de materiales, tanto a partir de brea, hulla, lignito, turba o madera como cualquier residuo orgánico entre los que se encuentran huesos de aceituna, cáscara de coco e incluso residuos plásticos o neumáticos fuera de uso. Cuando se parte de uno de estos materiales generalmente se lleva a cabo un proceso de pirólisis, o calentamiento en atmósfera inerte que permite obtener un material denominado carbonizado, en el que se han eliminado todos los compuestos volátiles,  y que está formado esencialmente de carbono.
 
Los carbones activos se pueden preparar a partir de estos materiales siguiendo dos vías diferentes, denominadas activación física y activación química.
 
La activación física consiste en la gasificación controlada en atmósfera de CO2 o vapor de agua a temperaturas de 700-900°C. La activación química por su parte consiste en mezclar el carbonizado o el precursor de carbono con un compuesto químico, como ácido fosfórico, KOH o ZnCl2 de forma que al calentar en atmósfera inerte se produce simultáneamente una carbonización y una activación. Cuando se lleva a cabo este tipo de activación química podemos ahorrarnos una etapa de calentamiento, pero a cambio es necesario someter el carbón activo resultante a una etapa de lavado para eliminar el agente de activación.
Modificando la temperatura y el tiempo de activación es posible modificar el grado de activación del carbón y por tanto obtener materiales de características diferentes, controlando el desarrollo textural de los mismos.
 
Al hablar de desarrollo textural nos estamos refiriendo a la superficie de los carbones activos así como al volumen y tamaño de los poros que se obtienen.
En general, los carbones activos son materiales que tienen superficies muy elevadas, generalmente superiores a 1000 m2/g (y que pueden alcanzar valores cercanos a 2000 m2/g) debido a que tienen un entramado poroso muy desarrollado, con poros característicos de tamaños inferiores a 2 nm (microporos) aunque también pueden presentar porosidad de mayor tamaño (mesoporos 2-50 nm y macroporos>50 nm), si bien en menor proporción. Esto, según la terminología descrita por Arturo Quirantes(@elprofedefisica) en su magnífico post hace que a menudo se diga que una cucharadita de carbón activo tiene la superficie de un campo de fútbol.
 
Los carbones activos, además de presentar distintas superficies y volúmenes de poros pueden presentar características químicas muy diferentes. Esto se debe a que los carbones activos tienen además de carbono una cierta cantidad de otros elementos, principalmente, oxígeno e hidrógeno y en menor proporción nitrógeno y azufre. Estos elementos se presentan como grupos funcionales superficiales, y le proporcionan al carbón activo diferentes propiedades, así hay carbones activos de carácter ácido o básico y más o menos hidrófobos. Existen procedimientos que permiten modificar la cantidad y el tipo de los grupos funcionales presentes en un carbón y estos procedimientos, junto con las modificaciones de textura permiten diseñar carbones activos idóneos para aplicaciones específicas. Por ejemplo se sabe que la presencia de grupos amino favorece la interacción con el CO2, que la presencia de grupos sulfónicos permite llevar a cabo reacciones de esterificación de interés para la síntesis catalítica de biodiésel o que la presencia de grupos carboxílicos favorece la retención de metales pesados. Además de actuar como catalizadores en algunas reacciones químicas, los carbones activos se utilizan ampliamente como soportes de catalizadores pues son materiales bastante estables salvo en condiciones oxidantes.
 
El carbón activo es un material muy barato y muy versátil. Por ello, las líneas de investigación más avanzadas se centran en el desarrollo de carbones activos con poros de tamaño controlado para aplicaciones de alto valor añadido. Un ejemplo podría ser el almacenamiento de H2 para el que el tamaño óptimo de los poros se sitúa alrededor de 0.7 nm. Esto enlaza con los métodos avanzados de diseño y síntesis de materiales nanoestructurados de carbono en los que es posible controlar la morfología y el tamaño de las partículas, la distribución de tamaños de poros y sus propiedades superficiales.
 
Y hasta aquí llega la introducción a la ciencia y tecnología del carbón y los materiales de carbono. Espero que os haya picado el gusanillo por saber más de estos materiales y espero vuestros comentarios pidiendo “especiales” sobre materiales en concreto.

El carbón (y la ciencia del carbón) II: Los materiales de carbono

Decíamos ayer que el carbón es mucho más que un combustible. Trabajando en el Instituto Nacional del Carbón, que además está situado en Asturias, cuando alguien nos pregunta a qué nos dedicamos su siguiente cuestión, además del consabido, ¿y cómo os afecta la situación en la minería? es ¿qué se puede investigar en el carbón, eso no está ya todo inventado?
Aquí entramos en la dualidad de los términos carbón/carbono o si utilizamos los términos en inglés coal/carbon.
En castellano de forma clásica carbón es la roca combustible, también denominado carbón mineral (coal)mientras que carbono es el elemento C (carbon), que aparece en la naturaleza como grafito, diamante y carbono amorfo, aunque también puede adoptar estructuras más extravagantes como fullerenos, nanotubos, carbinos, grafenos, entre otros. Estos materiales, y muchos otros se denominan indistintamente materiales de carbón o materiales de carbono (carbonmaterials). Es precisamente este mundo de materiales tan diferentes como el diamante y el hollín uno de los campos de investigación más fructíferos y novedosos del panorama actual.
Vale, igual me puede un poco la pasión, pero solo un poco, al fin y al cabo el Premio Nobel de Química de 1996 fue concedido a Smalley, Kroto y Curl, los descubridores de los fullerenos(en 1985) y el de Física de 2010 a Geim y Novoselov, los descubridores del grafeno(en 2004) mientras que el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica de 2008 fue para Iijima, descubridor oficial de los nanotubos de carbono (en 1991). Así que, respondiendo a la pregunta, queda mucho por investigar.




 
Todos estos materiales se merecen capítulo aparte, pero dado que estos materiales se descubrieron en los últimos 30 años os imaginaréis que hay otros materiales de carbono y otros usos del carbón distintos a simplemente quemarlo, que han suscitado el interés en el periodo comprendido entre el 1000 AC y 1985. De hecho podemos diferenciar un nuevo periodo, pues hasta aproximadamente 1960 los materiales de carbono comerciales eran básicamente los carbones activados, los negros de carbono, el grafito artificial y el diamante natural, materiales que aún hoy constituyen la mayor parte de la producción mundial de materiales de carbono. En 1960 se desarrollaron las fibras de carbono a partir de diversos polímeros y en el periodo 1960-1985 se desarrollaron diversos métodos de síntesis de materiales de carbono y de composites, lo que dio lugar al desarrollo de nuevas aplicaciones.
Esta gran variedad de materiales de carbono hace que sea preciso utilizar alguna clasificación para agruparlos en familias que compartan alguna característica. Una de las clasificaciones más habituales es la que tiene en cuenta los estados de hibridación del átomo de carbono, como se muestra en la siguiente figura. No obstante, la mayor parte de los materiales de carbono presentan hibridaciones intermedias sp2-sp3-sp, aunque generalmente se consideran de la familia del grafito, pues las estructuras sp2 son predominantes.

Diagrama ternario de los alótropos de carbono, adaptado de Heimann y col. 1997
Aplicaciones clásicas del carbón y el grafito.
Decíamos que más del 40% del carbón consumido en el mundo se usa para producir electricidad. También se emplea en la industria siderúrgica para producir coque, un material derivado que se emplea en la acería para reducir el mineral de hierro y doparlo, para proporcionar el calor suficiente para fundirlo y para proporcionar soporte físico y permeable en el horno alto. El coque se prepara en las propias acerías en unas instalaciones denominadas baterías de coque y como subproductos se obtiene alquitrán y gas de coque que a su vez pueden utilizarse para obtener otros materiales de carbono, principalmente breas y otros compuestos químicos como la naftalina y aceites tales como el aceite de antraceno. Las breas se utilizan en la industria del aluminio y del grafito, y se está investigando en profundidad como precursor de materiales de carbono, principalmente para la síntesis de materiales compuestos, e incluso para la síntesis de fibras de carbono. Por su parte los aceites, que es la fracción menos valiosa, se utilizan en la industria del negro de humo y en la purificación del gas de coque así como en la industria química. La naftalina es punto de partida para la síntesis de numerosos compuestos químicos. En cierto sentido (si descontamos el CO2 que se produce) el carbón se aprovecha totalmente, se podría asemejar al cerdo de los materiales, pues como dice el refrán de él se aprovechan hasta los andares.
El carbón coquizable es caro y relativamente escaso, por lo que las investigaciones se han centrado en el estudio de la capacidad de coquización de mezclas de carbones y también en el efecto que tiene la adición de diversos residuos (como plásticos) sobre las características finales del coque.
El grafito por su parte, natural o sintético, se utiliza en industrias como la del hierro y el acero y en el almacenamiento de energía, pues forma parte de la composición de las baterías de ion-litio tan presentes en todos los dispositivos electrónicos. También se utiliza como moderador de neutrones en las centrales nucleares. Otras aplicaciones son su utilización en frenos, como refractario y en las minas de los lápices. En algunas de estas aplicaciones resultan muy prometedoras las nanoestructuras de carbono grafítico. Además, y más recientemente, el grafito se está estudiando en profundidad para la obtención de grafeno, material que posee unas cualidades únicas que abrirán las puertas a aplicaciones que aún no podemos imaginar.
Negro de carbón.
El negro de carbónes un material de carbono producido en la combustión incompleta de diferentes materiales como petróleo, breas, aceites, hulla y se emplea principalmente (más del 70%) como material de refuerzo de neumáticos, a los que confiere su habitual color negro. También se utiliza como pigmento de tintas y toner. Su principal característica es que está formado por partículas de tamaño nanométrico, esféricas, con tamaños entre 10 y 100 nm, lo que lo convierte en el primer nanomaterial de carbono, por delante de hermanos más famosos como los fullerenos y nanotubos.
Los carbones activos son tantos y tan variados que se merecen el próximo capítulo para ellos solos.

Bibliografía.
J.A. Menéndez, El carbón en la vida cotidiana, disponible en Amazon y en bubok, el vídeo del proyecto de divulgación del mismo nombre:
http://www.youtube.com/watch?v=3oxjRKEcLb8
http://www.gecarbon.org/Boletines/articulos/boletinGEC_009_art.1.pdf
RB Heimann, SE Evsyukov, Y Koga, Carbon 35 (10-11), 1654-1658, 1997
http://www.sedoptica.es/Menu_Volumenes/Pdfs/252.pdf

El carbón (y la ciencia del carbón) I

Este artículo fue publicado originalmente en Naukas con una ausencia alarmante de comas que solvento al menos parcialmente aquí.




Venga va, rápido, enumera sin pensar demasiado tres características del carbón. ¿Las tienes? Vale un par de segundos más: tic…. tac ¡tiempo!



Si lo que se te ha pasado por la cabeza es que es negro, sucio y huele mal, tu mente se parece mucho a la de un obispo belga del siglo XIV al que se le atribuye la profunda afirmación “el carbón es negro, está debajo de la tierra y huele a azufre, señal inequívoca de su relación con el maligno”.



Bromas aparte, el carbón es una roca sedimentaria que ha sido utilizada como fuente de calor desde la antigüedad y cuya máxima expansión se corresponde con los tiempos de la Revolución Industrial. Existen referencias a la utilización de carbón como combustible en China alrededor del 1000 AC, época en la que lo utilizaban para fundir cobre. En Europa, las referencias más antiguas son de la época griega (alrededor del 300 AC), si bien fueron los romanos los primeros en utilizarlo como combustible, al menos en Britania, desde el 400 DC.

   
 



El carbón en la actualidad se utiliza principalmente para producir calor y electricidad, fundamentalmente en centrales térmicas (carbón térmico). En 2012 se produjeron 7864.5 millones de toneladas de carbón en el mundo y el 41% de la electricidad mundial se produjo a partir de carbón. Además, el carbón se utiliza en la industria siderúrgica, siendo imprescindible para la producción del 70% del acero del mundo (que consume aproximadamente el 10% del carbón producido). Hay que destacar que si bien todo el carbón puede ser quemado en una central térmica para producir electricidad, el carbón que se utiliza en las acerías tiene que tener unas características especiales, principalmente pasar por un estado plástico durante el calentamiento y tener muy bajos contenidos en azufre y cenizas ( a este se le denomina carbón metalúrgico o de coque, más caro que el térmico). También se utiliza en la industria del cemento, que además recicla muchos de los residuos formados durante la combustión del carbón.
A pesar del auge evidente de las energías renovables, el carbón continúa siendo una fuente energética muy utilizada y se prevé que siga siéndolo en los próximos años (al menos a nivel mundial). Sin embargo, somos conscientes de que es una fuente de energía contaminante. Por ese motivo existe un enorme esfuerzo investigador que trata de reducir las emisiones de contaminantes a la atmósfera, siendo el CO2 el contaminante estrella del momento. Se estudian métodos de transformación del carbón que permitan obtener mayor eficacia, la utilización simultánea de carbón y residuos de biomasa (lo que se conoce como co-combustión) y la transformación en corrientes libres de N2 (o al menos con bajas proporciones) para obtener corrientes concentradas de CO2, y por tanto que sea más fácil evitar emitirlo a la atmósfera, así como sistemas de captura de CO2 con diferentes aproximaciones.


Estamos refiriéndonos a carbón mineral, el carbón que se extrae de las minas, aunque técnicamente no sea un mineral. Sin embargo el uso del carbón es más antiguo. ¿Cómo puede ser? Pues muy sencillo, por la utilización del carbón vegetal y del hollín. 


El carbón vegetal procede de madera carbonizada, es decir “quemada” sin aire. Este carbón fue utilizado como pigmento negro en las pinturas rupestres hace más de 15000 años, así como en los papiros egipcios. El carbón vegetal ha sido imprescindible para el desarrollo de la humanidad, pues permite alcanzar las temperaturas necesarias para fundir el mineral de hierro. Esto permitió el desarrollo de la Edad de hierro (700 AC-68 DC en Europa), etapa clave en nuestra civilización. Por otra parte la adición del carbón al hierro permite fabricar acero, mucho más duro que el hierro y que ha sido fundamental para el desarrollo de herramientas más resistentes.

El carbón vegetal se utilizó en China para la fabricación de pólvora alrededor del 1000 DC y otra de sus aplicaciones clásicas es su utilización como adsorbente para depurar agua siguiendo las recomendaciones de Hipócrates en el 400 AC. Desde entonces hemos aprendido a fabricar materiales de carbono con distintas características, siendo utilizados en multitud de aplicaciones comerciales. 


Primera fórmula escrita de la pólvora 1044 DC (Fuente Wikipedia)



Aunque profundizaremos más adelante en el resto de los materiales de carbono, debemos recordar que el diamante y el grafito también son carbono. El diamante natural se usa principalmente en joyería, mientras que los diamantes sintéticos se utilizan sobre todo para elementos de corte y abrasión, aprovechando su enorme dureza. Por su parte el grafito, natural o sintético, se utiliza en un amplio espectro de aplicaciones: como refractario, en baterías, como moderador en centrales nucleares y es imprescindible en la producción del aluminio, entre otras.


Además de estos materiales naturales existe un amplio abanico de materiales de carbono de características muy diversas, que los convierten en un campo de investigación muy atractivo para un amplio número de aplicaciones. De hecho en nuestra vida diaria el carbón o los materiales de carbono aparecen frecuentemente, aunque a menudo no seamos conscientes de ello. Desde el carbón de nuestras barbacoas, a las raquetas reforzadas con fibras de carbono y otro equipamiento deportivo de calidad, los frenos de coches y aviones, los neumáticos, las baterías, hasta prótesis o sistemas de purificación de aire. El carbono nos rodea y vamos a descubrir hasta qué punto.
  


Bibliografía.
J.A. Menéndez, El carbón en la vida cotidiana, disponible en Amazon y en bubok, el vídeo del proyecto de divulgación del mismo nombre: