Univalle patenta un método para producir aerogel de sílice a partir de residuos

Univalle patentó un método para producir aerogel de sílice a partir de residuos.

¿Qué tienen en común la cascarilla de arroz y los residuos de vidrio de construcción? Que son las materias primas con las que investigadores de la Universidad del Valle lograron producir aerogel de sílice, uno de los materiales sólidos más livianos que existen.

El método, recientemente patentado, requiere menos recursos tecnológicos, energía y reactivos tóxicos que las técnicas empleadas actualmente por la industria para obtener este material, clave para los sistemas modernos de aislamiento térmico y acústico.

Esta combinación de ventajas hace que el nuevo procedimiento tenga el potencial de revolucionar la producción de aerogeles de sílice, pues facilitaría su escalamiento y, con ello, la incorporación del material a otros sectores industriales.

El origen de los aerogeles: una apuesta científica

Steven Kistler creó el primer aerogel de la historia. Tomado de Sino Aerogel. 

A finales de la década de 1920, el científico Steven Kistler comenzó a investigar, motivado por una apuesta con un colega, cómo retirar el líquido de una mermelada contenida en un frasco sin modificar el volumen de la estructura sólida.

Su perseverancia lo llevó a desarrollar un método para lograrlo y, en el proceso, a crear un nuevo tipo de material. El 16 de mayo de 1931, Kistler publicó en la revista Nature un artículo en el que describió por primera vez un aerogel y explicó cómo fabricarlo.

¿Qué son los aerogeles? Materiales casi hechos de aire

Los aerogeles se encuentran entre los materiales sólidos menos densos del mundo y se destacan, además, por su capacidad de aislamiento térmico. Tomado de Wikipedia.

Los aerogeles son materiales sólidos extraordinariamente ligeros. Su estructura, similar a una red, es tan porosa que gran parte de su volumen está ocupada por espacios llenos de aire. Esta arquitectura les confiere propiedades como una densidad muy baja y una alta capacidad para dificultar la transferencia de calor.

Entre los diferentes tipos de aerogeles, los de sílice son algunos de los más estudiados. Están formados principalmente por una red tridimensional de dióxido de silicio (SiO₂), conocido como sílice, y se caracterizan por su elevada capacidad de aislamiento térmico y su estabilidad a altas temperaturas. Estas propiedades han impulsado su uso en sectores como la construcción y la industria aeroespacial, donde reducir la transferencia de calor sin incorporar demasiado peso puede ser determinante.

Sin embargo, fabricar aerogeles de sílice no es sencillo. Los métodos empleados actualmente requieren equipos especializados que consumen grandes cantidades de energía, además de materias primas y reactivos potencialmente tóxicos. Estos factores elevan los costos y dificultan el escalamiento de la producción, lo que limita su integración en otros sectores.

Cuando los residuos se convierten en materia prima

 

El método desarrollado por Arjona y Torres permite producir aerogel de sílice a partir de residuos de vidrio y de la producción de arroz.

Frente a estos desafíos, en 2019, los ingenieros Silvio Delvasto Arjona y John Alexander Torres León, de la Universidad del Valle, emprendieron el proyecto “Aerogeles de sílice mediante un proceso químico sostenible para aplicaciones de aislamiento térmico y acústico en edificaciones”. Se trata de una investigación centrada en desarrollar un método más eficiente para fabricar este material, con condiciones de producción menos exigentes y mediante el aprovechamiento de insumos de bajo costo, incluidos residuos.

La iniciativa se apoyó en más de dos décadas de experiencia del Grupo de Investigación de Materiales Compuestos en la reutilización y revalorización de residuos para transformarlos en nuevos materiales. El tamo y la cascarilla de arroz, por ejemplo, ya habían sido aprovechados para elaborar materiales cerámicos y puzolanas destinadas a la fabricación de concreto.

“Ya teníamos experiencia trabajando con este tipo de desechos y sabíamos que podían tener un potencial importante. Por eso, en el marco de una convocatoria interna de la Universidad, decidimos dar un paso más y experimentar con ellos para obtener aerogeles”, contó Silvio Delvasto, ingeniero químico, magíster y doctor en Ingeniería de Materiales.

La investigación se prolongó durante tres años y permitió desarrollar un método para fabricar aerogeles de sílice con ventajas ambientales y económicas frente a los procesos empleados actualmente en la industria.

¿Cómo se fabrica el aerogel de sílice a partir de residuos?

El proceso puede dividirse en dos grandes etapas: primero, la obtención de la sílice y, posteriormente, su transformación en aerogel.

De los residuos a la sílice

El procedimiento emplea como precursores de dióxido de silicio el tamo y la cascarilla de arroz, residuos de vidrio de construcción y tierras diatomáceas.

“Son residuos y materias primas de bajo valor, pero tienen una alta concentración de sílice. Por ejemplo, la cascarilla de arroz puede contener entre un 95 y un 98 % de sílice”, señaló Delvasto.

Estos materiales se someten a un tratamiento térmico para obtener una ceniza rica en sílice. Posteriormente, la ceniza se muele para homogeneizarla y facilitar su procesamiento en la siguiente fase.

De la sílice al aerogel

Con la sílice ya disponible, comienza la segunda etapa: construir la estructura que dará origen al aerogel.

La ceniza se combina con hidróxido de sodio (NaOH) mediante un proceso de digestión en un condensador que alcanza los 110 °C. Como resultado, se obtiene una solución de silicato de sodio que, después de una fase de acidificación, da lugar a un gel de dióxido de silicio.

“En este punto ya tenemos una red tridimensional y porosa de sílice, pero todavía está llena de líquido. El reto es retirar ese líquido sin destruir la estructura del material”, explicó el ingeniero.

El gel pasa entonces por una fase de envejecimiento, en la que permanece en reposo para favorecer la estabilización de su estructura. Posteriormente, se lava mediante agitación mecánica y alcohol isopropílico para retirar impurezas, y se somete a un proceso de hidrofobización, que reduce su capacidad para absorber la humedad del ambiente.

Luego viene una de las etapas diferenciadoras de la propuesta.

“Después de un primer secado del material, mezclamos el gel con lauril éter sulfato de sodio. Esto genera una espuma de sílice que, después de un nuevo proceso de envejecimiento, se transforma de nuevo en un gel, pero esta vez con una estructura más sólida y una mayor superficie de contacto”.

Esta mayor superficie de contacto favorece las reacciones de hidrólisis y condensación en el interior del gel. Como resultado, el secado final puede realizarse bajo presión atmosférica y sin recurrir a las condiciones supercríticas utilizadas en algunos métodos convencionales. 

En esta última etapa se elimina la humedad restante y se obtiene el aerogel de sílice.

“Los aerogeles que hemos producido tienen una porosidad superior al 90 %. Es decir, más del 90 % del volumen del material corresponde a espacio vacío. Esto se traduce en una densidad de alrededor de 12 kilogramos por metro cúbico, que es muy baja”, destacó Delvasto.

Estructura del aerogel producido.

¿Qué cambia en el método para fabricar aerogel de sílice?

Silvio Delvasto Arjona, investigador y exprofesor de la Universidad del Valle.

La innovación desarrollada por los investigadores no se concentra en una sola etapa de la producción, sino en la modificación de diferentes componentes del proceso para hacerlo más eficiente y accesible. Estos cambios pueden agruparse en tres aspectos principales.

El primero está relacionado con las materias primas. En lugar de depender exclusivamente de precursores sintéticos, la propuesta incorpora residuos y materiales de bajo costo con altas concentraciones de sílice. De esta manera, estos materiales pueden ser aprovechados como materia prima para la producción de aerogeles y, al mismo tiempo, se reduce la contaminación asociada a los insumos utilizados tradicionalmente.

El segundo cambio se encuentra en una de las etapas más exigentes de la fabricación: el secado. Al realizarlo a presión atmosférica, sin recurrir a condiciones supercríticas de presión y temperatura, disminuyen los requerimientos de equipos especializados y las exigencias energéticas de esta fase.

El tercer aspecto corresponde a los reactivos utilizados. La propuesta contempla alternativas potencialmente menos tóxicas y de menor costo, entre ellas el ácido acético, que además presenta una mayor biodegradabilidad que algunos de los ácidos empleados en procesos similares.

“Cuando juntamos todos estos cambios, logramos simplificar el proceso y reducir los costos de producción. Al mismo tiempo, disminuimos algunos de los impactos ambientales asociados a los métodos convencionales”, señaló Delvasto.

Estas características podrían facilitar que nuevos actores incursionen en la fabricación de aerogeles y ampliar la oferta disponible, lo que favorecería su incorporación en otros sectores industriales.

Aerogeles de sílice para mejorar el aislamiento de las edificaciones

En la investigación, el aerogel producido se utilizó para mejorar la capacidad de aislamiento térmico de una pintura.

Uno de los campos en los que los investigadores ya exploran estas posibilidades es la construcción, donde las propiedades aislantes del aerogel podrían aprovecharse para mejorar el desempeño de otros materiales.

“Incorporamos un 5 % de aerogel en pinturas y las aplicamos sobre placas de concreto. Allí pudimos verificar su capacidad de aislamiento térmico. También podría utilizarse en mezclas de concreto para mejorar algunas de sus propiedades, como la resistencia y el aislamiento térmico y acústico”.

El uso de aerogeles como materiales aislantes también podría contribuir a mejorar la eficiencia energética de las edificaciones. Un mayor aislamiento térmico puede disminuir la necesidad de utilizar sistemas de aire acondicionado o calefacción y, dependiendo de las condiciones climáticas y de diseño, contribuir a reducir el consumo de energía.

“Así convertimos residuos en un material de alta tecnología, desarrollamos una forma más eficaz de producirlo y hacemos que los aerogeles de sílice sean más accesibles”, destacó Delvasto.

Una patente con la mira puesta en la industria

El desarrollo ya dio un paso más allá del laboratorio. La Superintendencia de Industria y Comercio de Colombia concedió a la Universidad del Valle una patente de invención por el desarrollo de este método, mediante la Resolución No. 48337 del 4 de junio de 2026.

“La innovación de nuestro método está principalmente en que incorporamos materias primas alternativas y de bajo costo y, al mismo tiempo, simplificamos el proceso de fabricación sin afectar las cualidades del aerogel”.

Sin embargo, para el equipo, la patente no representa el punto final del desarrollo, sino un paso más hacia la transferencia tecnológica.

“Una patente no puede quedarse en un anaquel. Hay que llevarla a la práctica, a la industria, donde realmente pueda generar valor agregado, empleo, recursos económicos y bienestar social”, concluyó Delvasto.

Por este logro, la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Valle felicita a Silvio Delvasto Arjona y John Alexander Torres León, y los invita a continuar desarrollando soluciones innovadoras que aporten al fortalecimiento del sector productivo y contribuyan a enfrentar los desafíos de la sociedad.