ORIGEN DEL CARBÓN

La historia del carbón se inicia en la turbera donde se acumulan los restos de plantas en condiciones húmedas, generalmente ácidas y poco oxidantes que favorece la conservación de la materia orgánica. El crecimiento de la turbera es lento, la acumulación de un metro de turba requiere entre 5.000 y 10.000 años Cuando la turbera detiene su crecimiento y se entierra, la materia orgánica se transforma perdiendo agua y materias volátiles y aumentando su contenido en carbono y su poder calorífico. Para obtener una capa de carbón de un metro hacen falta unos 10 metros de turba.

Como consecuencia de las condiciones de enterramiento y la temperatura el carbón evoluciona pasando sucesivamente de turba a lignito, hulla y finalmente antracita en un proceso conocido como carbonificación. En este proceso el carbón aumenta su contenido en carbono y el poder calorífico y disminuye las materias volátiles.

Por Diego Gómez Jerez

HIDROCARBUROS

• FORMACIÓN:

          El petróleo es una sustancia aceitosa de color oscuro a la que, por sus compuestos de hidrógeno y carbono, se le denomina hidrocarburo. 

Este hidrocarburo puede estar en estado líquido o en estado gaseoso. En el primer caso es un aceite al que también se le dice crudo. En el segundo se le conoce como gas natural.

Según la teoría más aceptada, el origen del petróleo -y del gas natural- es de tipo orgánico y sedimentario. Esa teoría enseña que el petróleo es el resultado de un complejo proceso físico-químico en el interior de la tierra, en el que, debido a la presión y las altas temperaturas, se produce la descomposición de enormes cantidades de materia orgánica que se convierten en aceite y gas.

Esa materia orgánica está compuesta fundamentalmente por el fitoplancton y el zooplancton marinos, al igual que por materia vegetal y animal, todo lo cual se depositó en el pasado en el fondo de los grandes lagos y en el lecho de los mares. Junto a esa materia orgánica se depositaron mantos sucesivos de arenas, arcillas, limo y otros sedimentos que arrastran los ríos y el viento, todo lo cual conformó lo que geológicamente se conoce como rocas o mantos sedimentarios, es decir, formaciones hechas de sedimentos. 

Entre esos mantos sedimentarios es donde se llevó a cabo el fenómeno natural que dio lugar a la creación del petróleo y el gas natural. Ese proceso de sedimentación y transformación es algo que ocurrió a lo largo de millones de años. Entre los geólogos hay quienes ubican el inicio de todo ese proceso por la época de los dinosaurios y los cataclismos. Otros opinan que hoy se está formando de una manera similar el petróleo del mañana.

• EXTRACCIÓN

          La extracción, producción o explotación del petróleo se hace de acuerdo con las características propias de cada yacimiento. Para poner un pozo a producir se baja una especie de cañón y se perfora la tubería de revestimiento a la altura de las formaciones donde se encuentra el yacimiento. El petróleo fluye por esos orificios hacia el pozo y se extrae mediante una tubería de menor diámetro, conocida como "tubería de producción". 

Si el yacimiento tiene energía propia, generada por la presión subterránea y por los elementos que acompañan al petróleo (por ejemplo gas y agua), éste saldrá por sí solo. En este caso se instala en la cabeza del pozo un equipo llamado "árbol de navidad", que consta de un conjunto de válvulas para regular el paso del petróleo.

Si no existe esa presión, se emplean otros métodos de extracción. El más común ha sido el "balancín", el cual, mediante un permanente balanceo, acciona una bomba en el fondo del pozo que succiona el petróleo hacia la superficie.

A pesar de los avances alcanzados en las técnicas de producción, nunca se logra sacar todo el petróleo que se encuentra (in situ) en un yacimiento. En el mejor de los casos se extrae el 60%.

Por tal razón, existen métodos de "recobro mejorado" para lograr la mayor extracción posible de petróleo en pozos sin presión natural o en declinación, tales como la inyección de gas, de agua o de vapor a través del mismo pozo productor o por intermedio de pozos inyectores paralelos a éste. 

• SEPARACIÓN (DESTILACIÓN FRACIONADA):

             Un pozo que ha sido perforado y entubado hasta llegar a la zona donde se encuentra el petróleo, está listo para empezar a producir.

Desde los separadores, por medio de cañerías, el crudo es enviado a los aparatos especiales donde se separan de él el gas y el agua.

A través de otras cañerías, conocidas como gasoductos, se conduce el gas a diferentes sitios para su empleo como combustible o para tratamiento posterior y otras cañerías (oleoductos) conducen el petróleo a los estanques de almacenamiento desde donde se les envía a su destino.

Las refinerías de petróleo funcionan veinticuatro horas al día para convertir crudo en derivados útiles. El petróleo se separa en varias fracciones empleadas para diferentes fines. Algunas fracciones tienen que someterse a tratamientos térmicos y químicos para convertirlas en productos finales como gasolina o grasas.

El principio básico en la refinación del crudo radica en los procesos de destilación y de conversión, donde se calienta el petróleo en hornos de proceso y se hace pasar por torres de separación o fraccionamiento y plantas de conversión.

La primera etapa en el refinado del petróleo crudo consiste en separarlo en partes, o fracciones, según la masa molecular. El crudo se calienta en una caldera y se hace pasar a la columna de fraccionamiento, donde la temperatura disminuye con la altura. Las fracciones con mayor masa molecular sólo pueden existir como vapor en la parte inferior de la columna, donde se extraen, que las fracciones más ligeras suben más arriba y son extraídas allí.

El primer material destilado a partir del crudo es la fracción de gasolina, seguida por la nafta y finalmente el queroseno. Las zonas superiores del aparato de destilación proporcionaban lubricantes y aceites pesados, mientras que las zonas inferiores suministraban ceras y asfalto.

 La fabricación de estos productos ha dado origen a la gigantesca industria petroquímica, que produce alcoholes, detergentes, caucho sintético, glicerina, fertilizantes, azufre, disolventes y materias primas para fabricar medicinas, nylon, plásticos, pinturas, poliésteres, aditivos y complementos alimenticios, explosivos, tintes y materiales aislantes.

Por: Diego Gómez Jerez 

NUEVO COMBUSTIBLE PARA REACTORES AERONÁUTICOS A PARTIR DE CARBÓN Y BIOMASA
          

Ingenieros e investigadores estadounidenses han creado un nuevo combustible a base de carbón y biomasa para aviación que disminuiría en gran medida las emisiones de dióxido de carbono e incrementaría la producción y la eficiencia energética con relación a las alternativas tradicionales. El nuevo producto se obtiene a partir del proceso denominado licuefacción indirecta.

Este combustible aportaría un importante avance ecológico con relación al combustible basado en petróleo, ya que emitiría menos dióxido de carbono en comparación con los combustibles tradicionales. Además, alcanzaría mayor efectividad energética que otros biocombustibles. El adelanto fue concretado mediante una investigación de la firma Accelergy, con la colaboración de otras compañías americanas.

El combustible ya está siendo probado por la Fuerza Aérea estadounidense, y permite el uso de un menor porcentaje de componentes basados en petróleo, cuando otros biocombustibles experimentales para reactores necesitaban como mínimo un 50 por ciento de productos derivados del petróleo para alcanzar el rendimiento requerido en aviones militares.

Además, este proceso permite emitir una menor cantidad de CO2 y alcanzar una mayor eficiencia energética. 

Por Diego Gómez Jerez

CICLO DEL CARBONO EN LA GEOLOGÍA

Por: Juan Manuel Liñán Barroso

El ciclo geológico del carbono, que opera a una escala de millones de años, está integrado en la propia estructura del planeta y se puso en marcha hace aproximadamente 4,55 miles de millones de años, cuando se formó el Sistema Solar y la Tierra. Su origen fueron los planetesimales (pequeños cuerpos que se habían formado a partir de la nebulosa solar) y los meteoritos portadores de carbono que chocaron con la Tierra.

Más del 99% del carbono terrestre está contenido en la litosfera, siendo la mayoría carbono inorgánico, almacenado en rocas sedimentarias como las rocas calizas. El carbono orgánico contenido en la litosfera está almacenado en depósitos de combustibles fósiles.

En una escala geológica, existe un ciclo entre la corteza terrestre (litosfera), los océanos (hidrosfera) y la atmósfera. El dióxido de carbono (CO₂) de la atmósfera, combinado con el agua, forma el ácido carbónico, el cual reacciona lentamente con el calcio y con el magnesio de la corteza terrestre, formando carbonatos. A través de los procesos de erosión (lluvia, viento), estos carbonatos son arrastrados a los océanos, donde se acumulan en su lecho en capas, o son asimilados por organismos marinos que, eventualmente, después de muertos, también se depositan en el fondo del mar. Estos sedimentos se van acumulando a lo largo de miles de años, formando rocas calizas.

El ciclo continúa cuando las rocas sedimentarias del lecho marino son arrastradas hacia el manto de la Tierra por un proceso de subducción (proceso por el cuál una placa tectónica desciende por debajo de otra). Así, las rocas sedimentarias están sometidas a grandes presiones y temperaturas debajo de la superficie de la Tierra, derritiéndose y reaccionando con otros minerales, liberando CO₂. El CO₂ es devuelto a la atmósfera a través de las erupciones volcánicas y otro tipo de actividades volcánicas, completándose así el ciclo.

Para el carbono orgánico, cuyo origen es la materia orgánica no totalmente descompuesta en ausencia de oxígeno, que dio origen a la hulla, el petróleo y el gas natural, cualquier cambio significativo entre los diversos depósitos afecta también a una escala geológica. Esto fue así hasta hace unos 200 años, con el inicio de la Revolución Industrial y la explotación y utilización (combustión) a gran escala de los combustibles fósiles, que empezó a liberar a la atmósfera el carbono de estos depósitos en forma de CO₂.

EL CARBONO EN LA TECNOLOGIA

En el ámbito tecnológico, el carbono en los últimos años ha proporcionado un gran avance para este campo, dado al gran abanico de aleaciones y combinaciones con las que van surgiendo nuevos materiales, desde el acero, en la antigüedad, pasando por la fibra de carbono y llegando hasta uno de los últimos materiales descubiertos, el grafeno. El carbono en la tecnología también adquiere un papel muy importante como fuente de energía, dados diferentes compuestos, como el petróleo y derivados, el gas natural y el carbón, que serían los principales hidrocarburos.

Realizado por Juan Morón y Diego Gómez.

El presente y futuro de los nanotubos de carbono

Por: Juan Manuel Liñán Barroso

Los nanotubos de carbono son materiales únicos en cuanto a estructura y propiedades y

ello les convierte en una importante materia prima para el desarrollo de gran número

de aplicaciones a las que pueden proporcionar características singulares.

Las aplicaciones identificadas mediante la búsqueda de información en bases de datos

especializadas y el análisis de la misma, son las siguientes:

Materiales. Los materiales nanorreforzados con nanotubos de carbono se consiguen

dispersando éstos en una matriz de otro material. Se obtienen así nuevos materiales con

interesantes propiedades mecánicas, eléctricas, electrorreológicas, hidrófobas, ignífugas,

ópticas, químicas y térmicas. Entre los materiales reforzados con nanotubos de carbono

destacan los de uso estructural, que aprovechan las propiedades mecánicas de los

nanotubos de carbono dando lugar a compuestos ligeros y con gran resistencia mecánica.

Sobre materiales tratan el 27% de las referencias científicas analizadas, el 24% de los

proyectos y el 42% de las patentes. Estos datos reflejan que esta tecnología despierta gran

interés científico y gran interés industrial. Existe un alto grado de solapamiento de esta

aplicación con otras; así, por ejemplo, para el desarrollo de algunos productos electrónicos

se usan materiales compuestos que contienen nanotubos de carbono, mientras que en otros

casos se utilizan nanotubos individuales y lo mismo ocurre en otras áreas. Se comercializan

ya accesorios deportivos elaborados con materiales compuestos que incorporan nanotubos

de carbono, como bates de béisbol, bicicletas, raquetas de tenis, raquetas de bádminton o

palos de jockey. El mercado de los materiales se presenta así como el más avanzado de

todas las aplicaciones potenciales de los nanotubos de carbono.

Electrónica. En el área de electrónica se han detectado numerosas aplicaciones para

los nanotubos de carbono: nanocircuitos (interconectores, diodos, transistores,

interruptores), emisores de campo (pantallas planas, lámparas, tubos luminiscentes,

tubos de rayos catódicos, litografía por haz de electrones, fuentes de rayos X,

amplificadores de microondas, tubos de descarga de gas en redes de

telecomunicaciones, microscopios electrónicos, nanotriodos, betatrones), filtros RF,

memorias, optoelectrónica, grabado y espintrónica. Destaca entre todas ellas la

emisión de campo y, en especial, las pantallas planas. Sobre electrónica tratan un 23%

de las referencias científicas analizadas, un 17% de los proyectos y un 49% de las

patentes. El volumen de patentes refleja que se trata de una tecnología con gran

interés industrial. También hay un importante interés científico por las aplicaciones

electrónicas, como refleja el número de referencias científicas y de proyectos que

tratan sobre ellas. Existen actualmente prototipos de memorias, lámparas de emisión de

campo, fuentes de rayos X, osciladores, diodos y pantallas de emisión de campo.

Sensores. Los nanotubos de carbono pueden ser empleados para el desarrollo de sensores

químicos/biológicos, mecánicos, térmicos, electromagnéticos y de emisión de campo. Los

que despiertan mayor interés son los biológicos y químicos por su potencial utilización en

la detección de sustancias contaminantes y para ser empleados en entornos biológicos. Los

documentos que tratan sobre sensores son un 18% del total de referencias científicas, un

7% de los proyectos y un 15,5% de las patentes. El volumen de resultados refleja que hay

un importante interés científico y un importante interés industrial sobre este tema. Existen

actualmente prototipos de sensores de metales pesados en agua y depuradores para fluidos.

Biotecnología y química. Hay un gran número de posibles aplicaciones

biotecnológicas y químicas para los nanotubos de carbono: adsorción y absorción,

catálisis, electrosíntesis y medicina. Destaca de manera especial la medicina donde los

nanotubos de carbono plantean una extraordinaria revolución en distintas facetas como

la administración de fármacos. El 13% de las referencias científicas tratan sobre

aplicaciones biotecnológicas y químicas, así como el 7% de los proyectos y el 10,2% de

las patentes. Estos datos reflejan que esta tecnología despierta un importante interés

científico e industrial. No se han detectado productos comerciales ni prototipos de

estas aplicaciones y no se prevé que aparezcan a corto plazo.

Energía. En el área de energía, múltiples tecnologías pueden beneficiarse de la

utilización de nanotubos de carbono, tanto para almacenamiento (de hidrógeno y otros

gases, supercondensadores), como para conversión (pilas de combustible, baterías de

ión litio, células solares). Destaca especialmente el interés que existe en la actualidad

por las pilas de combustible. El 10% de las referencias científicas analizadas tratan

sobre aplicaciones energéticas, así como el 7% de los proyectos y el 10,2% de las

patentes. El interés científico e industrial en estas tecnologías es importante. No se

han detectado productos comerciales ni prototipos sobre este tema.

Mecánica. Se han identificado en esta área la utilización de nanotubos de carbono

para el desarrollo de actuadores, amortiguadores, dispositivos para fluidos, tribología,

NEMS y MEMS. Destacan, en cuanto a número de resultados, los actuadores, algunos de

los cuales pueden formar parte de NEMS. Un 5% de las referencias científicas tratan

sobre aplicaciones mecánicas, el 5% de los proyectos y el 5,6% de las patentes. El

interés científico e industrial que se aprecia hacia estas tecnologías es moderado. No se

han detectado productos comerciales ni prototipos.

Instrumentación científica. Los nanotubos de carbono pueden utilizarse para la

fabricación de puntas de sonda de microscopios de sonda de barrido, así como para las

membranas de contadores coulter. Destacan por volumen de resultados los microscopios

de sonda de barrido y, dentro de ellos, los AFM (Atomic Force Microscope). El número

de documentos que tratan sobre la utilización de nanotubos de carbono en

instrumentación científica es reducido. Sólo lo hacen un 2% de las referencias

científicas, un 4% de los proyectos y un 5,1% de las patentes. Estos datos reflejan un

escaso interés científico y un interés industrial moderado. Se ha detectado un

prototipo de punta de sonda para AFM.

Fotónica. En el área de fotónica los nanotubos de carbono permitirán mejorar los

dispositivos ya existentes y, además, serán la base para la aparición de otros nuevos que

aumentarán la independencia de la fotónica respecto a la electrónica. Las principales

aplicaciones identificadas son filtros pasa alto para la luz, espejos absorbentes saturables

para bloqueadores de modo pasivos en emisores de pulsos láser, supresores de ruido e

interruptores. No hay proyectos que traten sobre este tema y sólo lo hacen un 2% de las

referencias científicas y un 1,6% de las patentes. Estos datos reflejan escaso interés

científico e industrial hacia esta tecnología. No se han detectado productos comerciales

ni prototipos sobre este tema.

Carbono en la atmósfera

Por: Juan Manuel Liñán Barroso

El carbono existe en la atmósfera de la Tierra principalmente en forma de gas dióxido de carbono (CO₂). En la atmósfera hay 750 gigatoneladas de carbono. La concentración de CO₂ es de 381 ml/m³, que corresponde a una cantidad de aproximadamente 800 gigatoneladas de carbono. Es aproximadamente el 0,001% del carbono total global. Por tanto, la atmósfera es el almacén de carbono más pequeño, y reacciona de forma más sensible a los cambios. Por el contrario, la atmósfera tiene el mayor porcentaje de circulación de carbono a causa de procesos bioquímicos.

Aunque es una parte muy pequeña de la atmósfera (aproximadamente el 0.04% en una base molar, pero está elevándose), desempeña un papel importante en el sustento de la vida. Otros gases que contienen carbono en la atmósfera son el metano y los clorofluorocarbonos (completamente antropogénicos). La concentración atmosférica total de estos gases de invernadero ha estado aumentando en décadas recientes, contribuyendo al calentamiento global.