Nanocompuestos del carbono y su posible aplicación en diferentes campos de la industria

Mateo Ramos Velasco, estudiante de la Maestría en Ingeniería con Énfasis en Ingeniería Química. Crédito: Oficina de Comunicaciones, Facultad de Ingeniería.

El carbono puede formar estructuras complejas y ordenadas a escalas nanométricas, cuyas propiedades son de alto interés para la industria electrónica por su posible aplicación en la fabricación de electrodos, supercapacitadores, detectores, entre otros. Sin embargo, los métodos de síntesis de diferentes nanocompuestos de carbono requieren procesos y materia prima de alto costo. Una alternativa para la síntesis de estos nanomateriales es el carbón antracita colombiano. Una investigación se plantea el análisis de los diferentes minerales y sustancias que componen el carbón para posteriores aplicaciones en esta área.

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La apuesta por un aprovechamiento pleno de las materias primas nacionales: el caso del carbón 

La explotación de hidrocarburos en minas de carbón en Colombia se ha enfocado tradicionalmente en suplir demandas en mercados internacionales, en países como Canadá, China y Japón, convirtiéndolo en uno de los principales exportadores de este tipo de materia prima en la región. Este escenario implica un rezago en materia de aprovechamiento de dichos recursos de cara a las necesidades que existen en la industria nacional.  

Buscando ofrecer alternativas de aprovechamiento relacionadas con el carbono, el estudiante de la Maestría en Ingeniería con Énfasis en Ingeniería Química, Mateo Ramos Velasco, desarrolló una investigación que busca evaluar el efecto de la materia mineral y volátil al interior del carbón de cara a la obtención de nanocompuestos que sean de utilidad para la generación de productos de valor agregado.  

Esta investigación es dirigida por el profesor, investigador del Grupo de Investigación de Ciencia y Tecnología del Carbón y PhD, Juan Sebastián Gutiérrez, y cuenta con la participación de Billy Rodríguez, perteneciente al Servicio Geológico Colombiano. Su objetivo es ampliar los márgenes de uso que se le da actualmente al carbón (como carbón término y carbón para metalurgia), de manera que en el futuro puedan existir nuevos mercados y utilidades tanto a nivel nacional como internacional. 

Nanocompuestos del carbono: una ventana de oportunidad no explorada aún 

Dado su origen, que se remonta a millones de años atrás, el carbón cuenta en su interior con una conformación de múltiples materiales, cuyos efectos aumentan o disminuyen dependiendo del tipo de explotación al que sea sometido, lo que trae consigo efectos a la hora de utilizarlo para nuevos fines. Uno de estos materiales obtenidos luego de diferentes procesos de extracción son las nano-cebollas de carbono, (CNOs, por sus siglas en inglés), capas concéntricas de carbono cuya estructura las asemeja a cebollas y que tienen un tamaño en escala nanométrica.  

Estos compuestos tienen propiedades llamativas, pues debido a sus características tienen aplicaciones relacionadas con electrodos y detectores, además de permitir la adición de grupos químicos de diferentes clases con el objetivo de que sean utilizados en aplicaciones médicas y electrónicas. La obtención de este tipo de nanocompuestos se produce actualmente por medio de nano-diamantes, lo que supone un alto costo de operación debido al valor en el mercado de este tipo de materiales. Frente a esto, el Grupo de Investigación de Ciencia y Tecnología del Carbón se ha propuesto obtener dicho nanocompuesto a partir la síntesis del carbono, para lo cual utilizaron distintos tipos (bituminoso, antracita, entre otros), teniendo como resultado que los carbones de alto rango, como la antracita, permiten esta síntesis, a través de una técnica llamada recocido térmico (un proceso que calienta la muestra de carbón a una temperatura superior a los 1.600°C, en una atmósfera de nitrógeno que evita su combustión).  

A continuación, se dieron a la tarea de determinar las condiciones óptimas para dicha síntesis. Para esto se tuvieron como referencia ámbitos como el tiempo de resistencia y la temperatura del recocido térmico, para evaluar cuáles presentaban los mejores resultados de cara a la obtención de estas nano-cebollas de carbono.  

En este punto del proceso investigativo se enmarca el trabajo del investigador Mateo Ramos Velasco, quien está a cargo de evaluar el efecto de la materia volátil y mineral que está presente en el carbono durante los procesos mencionados. 

“Resulta que el carbón, dado su proceso biológico, tiene muchos compuestos volátiles. Ellos se caracterizan por tener un punto de ebullición relativamente bajo. Lo que ocurre es que ellos se volatilizan y dejan el espacio vacío dentro del carbón. Lo que se quiere estudiar es si la materia volátil y mineral tienen alguna incidencia en todo el proceso de recocido térmico”, comenta el investigador Ramos, y explica que, en el caso de la materia mineral, cuando se hace la extracción minera, las capas geológicas contienen gran variedad de minerales (como el óxido de silicio y el aluminio), lo que queda en la matriz del carbón que luego es sometido al proceso de recocido.  

Según el investigador, su objetivo fue determinar la influencia de dichos materiales al interior del carbón, de manera que se pueda saber hasta qué punto inhibe o propicia la formación de nano-cebollas. Esto con el fin de evaluar la necesidad de remover dichas partículas, lo que usualmente representa para las industrias costos adicionales y retrasos en los procesos. 

La investigación 

Para la realización de su análisis, el investigador Mateo Ramos Velasco utilizó muestras de carbón provenientes de Jamundí, Valle del Cauca, proporcionadas por el Servicio Geológico Colombiano. La decisión de trabajar con el carbón proveniente de esta zona del país se debió a que para el estudio era necesario contar con carbón de alto rango. Aunque había otras opciones, como en Santander, Boyacá y Cundinamarca, el investigador escogió a Jamundí dada su cercanía y las facilidades que eso suponía. Dicha fuente de carbón contó con las siguientes características: 1,34% de humedad residual, 11,98% de materia volátil, 12,83% de ceniza y 68,45% de carbón fijo.  

Dada la dificultad para someter las muestras a un proceso de análisis que determinara con exactitud la presencia de nano-cebollas en el carbón, pues actualmente en el país no se cuenta con la tecnología para esto, el investigador Ramos optó por medir indirectamente otros parámetros de interés, por medio de la espectroscopía Raman, una técnica bastante utilizada en carbones, que somete las muestras a un láser de luz visible que detecta los fenómenos en el interior del carbón.  

El resultado de este proceso es la producción de unas bandas características: D (que hacen referencia al desorden evidenciado en la estructura de la muestra) y G (que hacen referencia al proceso de grafitización u orden en su estructura). Este proceso se realizó con muestras, según los siguientes tratamientos a los que fueron sometidas: sin tratamiento, recocido, flotado-recocido, desvolatilizado-recocido y flotado-desvolatilizado-recocido, que hacen referencia a los distintos escenarios de prueba que incluían las materias volátiles y minerales en los carbones.  

“Básicamente lo que se hace es que se le realiza la espectroscopía Raman de la muestra original sin ningún tratamiento y se compara con las muestras a las que se les han hecho otros tratamientos”, explica el investigador Ramos.  

Otros métodos utilizados en la investigación fueron el análisis termogravimétrico (TGA, por sus siglas en inglés) -que permite representar los picos de la combustión que se produce en el carbón. Se espera que, a medida que se realice el recocido térmico, dicho pico de combustión se presente a temperaturas más altas, dado el reordenamiento en la estructura del carbón-, y la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR, por sus siglas en inglés) -que permite observar los grupos funcionales de la muestra antes y después de ser sometida al recocido térmico.  

Resultados y carácter innovador de la investigación 

Actualmente, el investigador Mateo Ramos Velasco se encuentra a la espera de los resultados en los análisis hechos por medio del análisis termogravimétrico (TGA) y el procesamiento de los datos obtenidos a través de la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Sin embargo, los resultados de la espectroscopía Raman le permiten avizorar un alto grado de éxito en su investigación. 

 “Hasta ahora hemos obtenido un comportamiento similar a lo que se ha visto en otras investigaciones, lo cual nos dice que es posible tener nano-cebollas dentro de la muestra. En cuanto a la acción de la materia mineral y volátil, se ven cambios evidentes”, cuenta el investigador. Según él, son notables lo cambios en el carbón cuando se quitan de él la ceniza y la materia volátil.  

Dada la tendencia y la necesidad de propiciar alternativas más sostenibles en materia energética, derivadas del cambio climático en el mundo, la apuesta investigativa llevada a cabo por el investigador Ramos Velasco se convierte en un referente a nivel regional y nacional de cara a nuevos usos del carbón en la industria.  

Para el investigador, los resultados podrían contribuir en este sentido: “Primero, se definirían los pretratamientos que deben hacerse al carbón para aplicarse en la producción de nano-cebollas. Y eso, a la largo, es importante, ya que define costos de producción. La producción de las nano-cebollas es bastante costosa. Primero por el proceso mismo, que no es del todo barato, y segundo porque la materia prima se sintetiza a partir de nano-diamantes que tienen un costo muy elevado”, concluye. 

Si le interesa contactar al estudiante o conocer más sobre la investigación, escriba a la Oficina de Comunicaciones Facultad de Ingeniería: comunicaingenieria@correounivalle.edu.co.