Se hace necesario aplicar la ciencia química con visión de futuro para alcanzar una mejor calidad y una mayor seguridad ambiental

Hacia la calidad ambiental a través de la química

Ramon Mestres Quadreny. Catedrático de Química Orgánica de la Universidad de Valencia, Departamento de Química Orgánica; Chairman of the Committee for Green Chemistry of the FECS Division for Chemistry and Environment.01/12/2004

En el siguiente artículo, el autor presenta algunos de los conceptos, objetivos y campos de atención de la química que deben desarrollarse a lo largo de los próximos años si se quiere que exista química en el futuro. Hace falta imaginación y vencer rutinas, y esquemas académicos, así como inercias industriales. Es una ocasión que se brinda al químico con visión de futuro, que percibe la química como un servicio a la humanidad.

Se puede afirmar sin temor a la exageración que la vida moderna y cualquiera de los aspectos que la caracterizan, sería imposible sin los conocimientos que proporciona la química como ciencia y la aplicación que de ellos hace la industria. Resulta también patente que las sociedades más desarrolladas se han hecho muy sensibles a todo aquello que pueda afectar a la calidad ambiental, dañada de hecho por diversas formas de contaminación y golpeada por incidentes que causan graves daños a las personas o al entorno.

Las diversas formas de contaminación, así como en los incidentes graves que tienen lugar en forma de explosiones, incendios, intoxicaciones masivas, tienen con gran frecuencia origen en sustancias químicas. Se ha creado así una opinión generalizada que contempla la química como una grave amenaza. Sin embargo, la industria química es responsable tan solo en parte de esta contaminación química. Basta recordar que el incremento antropogénico del efecto invernadero es ocasionado principalmente por el anhídrido carbónico generado por la automoción y la producción de energía y por el metano que genera la ganadería, mientras que los compuestos halogenados sintéticos contribuyen en un grado inferior. Cabe recordar de igual manera que los graves incidentes que afectan a la seguridad de las personas o al ambiente, debidos en bastantes ocasiones a la química, lo son también debidos a otras actividades, como por ejemplo, a la producción, transporte o almacenamiento de los combustibles.

La preocupación social ante la química se extiende tanto a las emisiones y los riesgos de los productos que emplea la industria química como a los efectos nocivos que acompañan o suceden a la aplicación de los productos finales por parte de otros sectores de producción o por el propio consumidor. Disolventes orgánicos, pesticidas, plásticos y algunos fármacos pueden traer a la memoria ejemplos orientativos de efectos nocivos ocasionados por los productos finales.

Se ha creado una opinión generalizada que contempla la química como una grave amenaza
Aunque la química no sea el origen único de la contaminación química, su responsabilidad, a la hora de proporcionar soluciones efectivas para la disminución de la contaminación y para evitar riesgos, se extiende ciertamente a la prevención de los efectos que ocasiona ella misma, a la prevención de los debidos a otros sectores y a la remediación de la contaminación ya producida, difundida o no.

La responsabilidad actual de la química en relación a la calidad ambiental se extiende también al futuro. Cabe destacar dos hechos incuestionables. Por un lado, la extinción del petróleo, del gas natural y del carbón, fuentes principales con mucho de la energía empleada (75 por ciento) y de las materias básicas de la industria química orgánica (un 8 por ciento del crudo de petróleo proporciona un 98 por ciento de las materias primas para la industria orgánica). Por otro, el desarrollo de las naciones jóvenes que, de no contar con procedimientos químicos limpios adecuados y económicamente accesibles, causará un nivel de contaminación dimensionalmente superior al provocado hasta el presente por las naciones industrializadas.

Vale la pena llamar también la atención al hecho de que la responsabilidad de la industria química como causante directa de contaminación y riesgo provoca un serio incremento de costos. En efecto, las fuerzas sociales y legislativas ejercen ya ahora y, previsiblemente más y más en el futuro, una presión legal y fiscal sobre las industrias para forzar la reducción de la emisión de sustancias contaminantes en forma de gases, efluentes acuosos, residuos sólidos. Esta presión se traduce en la introducción de tecnologías paliativas, que suponen un encarecimiento significativo de la producción. También resulta muy costoso el mantenimiento y la introducción de medidas de seguridad frente al carácter tóxico, corrosivo, inflamable o explosivo de las sustancias empleadas o generadas. Así mismo, al prestar una mayor atención a los efectos nocivos de los productos finales se hace mucho más complejo el proceso de lanzamiento de un nuevo producto o material al mercado y con frecuencia reduce la continuidad de la producción. También la extinción de las fuentes fósiles es causa de un progresivo encarecimiento de la producción.

Con todo lo expuesto hasta ahora puede afirmarse que se hace necesario aplicar la ciencia química con visión de futuro para alcanzar una mejor calidad y una mayor seguridad ambiental, facilitar el desarrollo de las naciones jóvenes y asegurar la pervivencia de la propia química. Esta idea responde precisamente a lo que en algunas naciones es conocido como “Green Chemistry” y en otras como “Química Sostenible”.
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Fotografía: Bayer

Química sostenible

Se entiende aquí como química sostenible el empleo y el desarrollo de los fundamentos teóricos y de las aplicaciones de la química necesarios para el mantenimiento y mejora de la contribución de la química al bienestar general de todos los seres humanos y de todo el medio ambiente, en la actualidad y en un plazo ilimitado de tiempo.

La novedad de la química sostenible no estriba tanto en tratar de conseguir una industria no contaminante y segura, como en querer alcanzar un proceso químico limpio e inocuo en su raíz. El control sobre los efectos nocivos y riesgos de la producción se ha ido acometido en el plano delimitado por las dimensiones técnica (ingeniería paliativa, adicional al proceso) y económica (incremento en la inversión y en el coste de producción). Lo que se pretende ahora es poner el énfasis en la dimensión química, con cambios en la propia reacción, que reduzcan los riesgos y la necesidad de técnicas paliativas. El énfasis en la química no supone un olvido de la ingeniería; gran parte de la reducción de la generación de residuos depende del desarrollo de nuevos reactores, por ejemplo, los de producción intensiva.

La introducción de innovaciones con la perspectiva de la química sostenible resulta rentable ya ahora. De hecho existen industrias e institutos científicos en Estados Unidos, Australia, Alemania, Suiza y España que cuentan con departamentos dedicados a la modificación de los procesos industriales para la práctica de una química limpia en su misma raíz.

Objetivos generales

En correspondencia con el origen de los efectos nocivos y del riesgo de la química, con la preocupación por la extinción de las fuentes principales de materias primas y con las otras causas de contaminación y riesgos, los objetivos que se deben alcanzar pueden quedar expresados de la forma siguiente:

  • Reducción de la generación y uso de sustancias contaminantes en el proceso químico.
  • Reducción del uso de sustancias con carácter peligroso en el proceso químico.
  • Reducción de los efectos nocivos de los productos finales.
  • Reducción del empleo de fuentes extinguibles de materias primas y de recursos escasos.
  • Reducción de la contaminación ya generada.
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La producción química como origen de contaminación

El principio fundamental ya fue enunciado en 1978 por Trevor Kletz: “What you don’t have can’t leak”. En efecto, si no se quieren fugas, vertidos incontrolados y residuos o efluentes que contribuyan a la contaminación ambiental, la forma más radical consiste en no usar ni producir las sustancias susceptibles de estas emisiones. A donde hay que dirigir pues la atención, en primer lugar, es al mismo proceso químico, en el que se usan y se producen las sustancias susceptibles de contribuir a la contaminación.

En las reacciones preparativas intervienen unas sustancias de partida, unos reactivos, unos catalizadores y un medio de reacción, con gran frecuencia un disolvente orgánico. Al final de la reacción se ha formado un producto. Pero se forman también unos productos secundarios, generados en cursos alternativos de la reacción. Aparte de la simple reducción de rendimiento, la existencia de más de una sustancia en la mezcla de reacción requiere unos medios de separación y purificación del producto (especialmente importante en la industria farmacéutica), que suponen el empleo de disolventes y otros productos auxiliares. No es ninguna novedad en la síntesis orgánica la búsqueda de procedimientos selectivos que eviten la generación de productos secundarios; lo que destaca ahora es el hecho de tener en cuenta que estos productos secundarios son causa genérica de contaminación.

Más novedosa aparece, cuanto menos al químico académico, la observación de la formación de los productos concomitantes, que acompañan necesariamente al producto, con independencia del rendimiento, al formar parte intrínseca de la conversión; son un requisito de la estequiometría de la reacción. Puede verse con facilidad la distinción entre productos secundarios y concomitantes en una reacción tan simple como la preparación de un alqueno a partir de un haluro de alquilo; el alqueno terminal es aquí un producto secundario, cuya formación podría quizá ser obviada modificando las condiciones de la reacción, mientras que la formación del alcohol y del haluro alcalino son inherentes a la reacción elegida.

Con el fin de mostrar la magnitud que pueden alcanzar los productos concomitantes en la generación de residuos, basta mencionar que el balance de materia producida en la acilación de Friedel Crafts, uno de los pasos de la síntesis del ibuprofeno, es de 880 gramos de residuos, sin considerar los disolventes perdidos, por cada 178 gramos de la cetona intermedia. La síntesis del ibuprofeno fue mejorada posteriormente en lo referente a la producción de residuos. La nueva síntesis ha sido merecedora de un “Green Chemistry Presidential Award” en Estados Unidos.

La industria química es responsable tan solo en parte de la contaminación química

Sustancias de partida y reactivos peligrosos

Un número elevado de las sustancias usadas en la industria química, o resultantes de su actividad son causa de riesgo, incluso en pequeñas cantidades, debido a sus propiedades agresivas, o tóxicas. Se trata de sustancias que en caso de fuga o vertido pueden causar daños considerables o graves en las personas que las manipulan o en personas, animales o plantas situadas en el entorno (Bhopal, Seveso). Otros acontecimientos lamentables o trágicos están

asociados a sustancias inflamables o explosivas (Flixborough, Toulouse). Estas situaciones pueden darse por la propia presencia de sustancias peligrosas o por su generación accidental en el proceso, pero el riesgo de accidente debe disminuir drásticamente en cualquier caso con la reducción del uso de sustancias peligrosas. No existe el riesgo cero y, antes o después, las sustancias peligrosas son causa de incidencias, intoxicaciones, explosiones y, cuanto menos, de situaciones de alarma y de implantación de costosas medidas de seguridad.

En algunos casos se podrán evitar situaciones de riesgo con un simple cambio de reactivos o disolventes peligrosos por otros de peligrosidad claramente inferior, mientras que en otras ocasiones será necesaria la modificación completa del tipo de conversión.

Un ejemplo muy sencillo de reducción de la peligrosidad de una reacción, en tanto se incrementa su rendimiento atómico, puede ser la bromación bencílica de un tolueno sustituido con bromuro alcalino, agua oxigenada y un ácido, que evita el empleo de bromo, reactivo peligroso, o de la N-bromosuccinimida, que da un bajo rendimiento atómico y requiere bromo tanto en su preparación como en el reciclado.

Otro ejemplo, ampliamente difundido, de sustitución de reactivos peligrosos es el empleo de carbonato de metilo en lugar del fosgeno o del sulfato de metilo. El carbonato de metilo puede actuar, en función de las condiciones, como agente acilante o como agente metilante.

Efectos nocivos de los productos finales

La aplicación de algunos productos finales usados como materia básica en la medicina, en la agricultura, en la construcción, en diversas clases de industrias y en los productos y materiales de uso común, ha venido acompañada de efectos nocivos para la salud o para el medio ambiente. Resulta patente la necesidad de hallar entonces sustancias alternativas que, manteniendo o mejorando las propiedades que las hacen idóneas para su función, carezcan de esos inconvenientes.

Sin embargo, al considerar los efectos nocivos de los productos finales, se pone de manifiesto que la misma producción del compuesto supone ya un impacto ambiental negativo, quizá mínimo, pero no nulo. A ello se suman entonces los efectos del propio compuesto en su función, o los de sus residuos tras su aplicación. Se llega entonces a la necesidad de la valoración del impacto del producto en todo su ciclo de vida (LCA Life Cycle Assessment), considerando desde las fuentes de las materias primas hasta el reciclado o la mineralización de los residuos, pasando por su producción: reactivos, disolventes, etc. Esta valoración puede ser sumamente útil a la hora de la toma de decisión acerca del empleo de productos alternativos.

Una segunda parte en relación con los productos finales se dirige al diseño de nuevos productos, pesticidas, detergentes, polímeros, colorantes, sin efectos nocivos. Se hace necesario el desarrollo de los conocimientos necesarios para poder diseñar sustancias que no puedan resultar tóxicas y que puedan ser recicladas o mineralizadas fácilmente, manteniendo las propiedades que las hacen idóneas para su uso.

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Fotografía: Solvay
La responsabilidad actual de la química en relación a la calidad ambiental se extiende también al futuro

Fuentes extinguibles de materias primas

Actualmente un 98 por ciento de los productos químicos producidos industrialmente y usados de una manera o de otra como productos de consumo derivan del petróleo. Las previsiones de una extinción de sus reservas en el planeta son dispares por lo que se refiere al tiempo. Los márgenes varían también en función de que se incluyan o no el carbón y el gas natural. En cualquier caso, todas las previsiones han de aceptar el carácter limitado de estas reservas y la previsión de una subida progresiva de los precios. La sostenibilidad de la producción a largo plazo es pues posible sólo si se dispone de fuentes renovables de materias primas, con ciclos cortos de renovación, susceptibles de repetición indefinida a lo largo del tiempo. Esto apunta claramente al reino vegetal como fuente de materia orgánica.

El uso de las fuentes renovables en la obtención de materias primas para la química no es ninguna novedad. La novedad estriba ahora en intentar obtener a partir de los vegetales o de los microorganismos lo que hasta ahora se ha estado obteniendo mayoritariamente a partir del petróleo o del carbón.

Combustibles de origen fósil en la generación de energía

La reducción del consumo de combustibles de origen fósil presenta un doble interés. Por un lado su carácter extinguible y por otro, el incremento en anhídrido carbónico en la biosfera que supone la combustión.

Se apuntan aquí tan sólo algunos campos en los que la química puede aportar soluciones para reducir el consumo de combustibles fósiles. En primer lugar, la contribución a la disponibilidad de fuentes renovables alternativas. Pueden citarse aquí la producción de bio-gasóleo a partir de triglicéridos vegetales y la construcción de placas solares eficientes, o el desarrollo de bombas termoquímicas de aprovechamiento de la energía solar.

En segundo lugar, la aportación de la química puede orientarse al incremento de la eficiencia y de la limpieza en la generación de energía a partir de los combustibles fósiles, como puede darse en forma de mejoras en los sistemas de combustión, en la purificación de los gases resultantes o en el desarrollo de pilas de combustión. Una aportación que podría ser de gran trascendencia sería hallar formas de utilización del anhídrido carbónico como fuente renovable de carbono.

La responsabilidad de la industria química como causante directa de contaminación y riesgo provoca un serio incremento de costos

Contaminación ya generada

También la química debe aportar procedimientos que permitan reducir la contaminación generada, ya sea antes o después de la emisión al ambiente. Dada la toxicidad de las policlorodibenzodioxinas (“dioxinas”), son de suma importancia los estudios acerca de los mecanismos de su generación en los tratamientos térmicos de materia orgánica residual y la aplicación de las formas que reduzcan o impidan esta generación, como fueron recientemente apuntadas por Dieter Lenoir en la “4th Green Chemistry Conference” de Barcelona.
El uso de las fuentes renovables en la obtención de materias primas para la química no es ninguna novedad
Dentro de la destrucción de contaminantes en medios acuosos, especialmente en plantas de tratamiento, cabe simplemente mencionar los procedimientos fotoquímicos y electroquímicos, el empleo de ozono en el tratamiento de los purines o las aplicaciones de los catalizadores para la activación del agua oxigenada en industrias como la papelera o la petroquímica.

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