Pirólisis para niños

Esquema de la pirólisis.

La pirólisis (que viene de las palabras griegas piro, que significa ‘fuego’, y lisis, que significa ‘rotura’) es un proceso químico. Consiste en la descomposición química de materiales, especialmente materia orgánica, al calentarlos a temperaturas muy altas. Esto ocurre sin que haya oxígeno presente.

Durante la pirólisis, los materiales cambian su composición química y su estado físico de forma permanente. Este proceso no produce sustancias dañinas como dioxinas o furanos.

La pirólisis puede generar tres tipos de productos: un sólido parecido al carbón, un aceite y un gas. Este proceso empieza a temperaturas bajas (desde 200 °C) y puede llegar hasta los 1.000 °C. La cantidad de cada producto varía según la temperatura utilizada. Por ejemplo, se puede realizar en un horno solar, como se ha demostrado en el horno solar de Odeillo.

Cuando la pirólisis es muy intensa y solo deja carbono como residuo, se le llama carbonización. La pirólisis es un tipo especial de termólisis.

Un ejemplo común de pirólisis es la forma en que se tratan los neumáticos viejos. En este caso, el calor descompone el caucho de los neumáticos sin oxígeno.

Todos los materiales orgánicos complejos están formados por cadenas de moléculas grandes, llamadas polímeros. Algunos ejemplos son los plásticos, el caucho, la madera o el papel. El calor rompe estas cadenas, creando moléculas orgánicas más pequeñas. Estas pueden ser metano (CH₄), dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O).

Cuando un material sólido, como la madera, se quema, ocurren varios pasos:

• Primero, la humedad se evapora (esto se llama deshidratación).
• Luego, el calor de la llama descompone el material en moléculas más ligeras.
• Finalmente, estas moléculas ligeras, como el metano, se queman con el dioxígeno del aire.

Así, la quema de madera es una combinación de pirólisis (que produce los gases) y combustión (que quema esos gases). Esto mantiene el fuego y la pirólisis mientras haya material.

A menudo, usamos la palabra pirólisis para referirnos a la descomposición por calor sin que haya una llama. Un ejemplo es la limpieza de un horno, donde la grasa se descompone por el calor.

¿Cómo funciona la pirólisis?

Procesos en la descomposición térmica de la materia orgánica a presión normal.

La pirólisis calienta un material por encima de la temperatura a la que sus moléculas se rompen. Esto rompe los enlaces químicos. Los pedazos resultantes suelen ser moléculas más pequeñas. Sin embargo, a veces pueden unirse para formar residuos más grandes o incluso sólidos amorfos.

En algunos casos, puede haber pequeñas cantidades de oxígeno o agua. Esto puede causar que, además de la pirólisis, ocurran otros procesos químicos como la combustión o la hidrólisis. A veces, estas sustancias se añaden a propósito, como al quemar leña o al fabricar carbón vegetal.

Para evitar estas reacciones secundarias, el material puede calentarse en el vacío o en una atmósfera inerte (sin gases que reaccionen). La pirólisis al vacío también ayuda a que los productos se evaporen a menor temperatura, facilitando su recuperación.

Cuando la materia orgánica se calienta gradualmente, ocurren varios procesos:

• Por debajo de 100 °C, el agua y otras sustancias volátiles se evaporan.
• Alrededor de 100 °C, el agua que está absorbida en el material se expulsa. Este paso consume mucha energía.
• Algunas sustancias sólidas, como las grasas o el azúcar, pueden derretirse.
• Entre 100 y 500 °C, muchas moléculas orgánicas se descomponen. Los azúcares empiezan a descomponerse a 160-180 °C. La celulosa (en madera, papel, algodón) se descompone a unos 350 °C. La lignina (en madera) también empieza a 350 °C y sigue liberando productos hasta los 500 °C. Los productos de esta descomposición incluyen agua, monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO₂) y muchos otros compuestos orgánicos. Los gases y vapores salen del material, y algunos pueden condensarse formando humo. Este proceso suele absorber energía. Algunos vapores pueden encenderse y producir una llama. Los residuos sólidos se vuelven más ricos en carbono y se oscurecen. Se dice que el material se ha "carbonizado".
• A 200-300 °C, si hay oxígeno, el residuo carbonizado puede empezar a quemarse. Esta reacción libera mucha energía y a menudo no tiene mucha llama. Una vez que el carbono empieza a quemarse, la temperatura sube, convirtiendo el residuo en una brasa brillante y liberando dióxido o monóxido de carbono.
• Después de que el residuo carbonizado se quema por completo, queda una ceniza en polvo o sólida. Esta ceniza está hecha de materiales inorgánicos que no se queman. Los metales suelen quedar como óxidos o carbonatos. El fósforo, de huesos o plantas, suele quedar como fosfato.

Tipos de pirólisis

Pirólisis sin agua (anhidra)

Carbón vegetal obtenido mediante pirólisis.

La pirólisis anhidra ocurre cuando un material orgánico sólido se calienta mucho sin oxígeno. Por ejemplo, al freír o asar alimentos, las capas externas protegen el interior del oxígeno, permitiendo la pirólisis.

También sucede cuando se quema un combustible sólido como la madera. Las llamas de un fuego de madera no son la madera quemándose directamente. Son los gases que se liberan por la pirólisis de la madera, que luego se queman.

Un uso antiguo de la pirólisis anhidra es la producción de carbón vegetal a partir de madera. Más recientemente, se ha usado para convertir el carbón en carbón de coque para la metalurgia, especialmente en la fabricación de acero.

En la industria, este proceso se realiza a menudo bajo presión y a temperaturas superiores a los 430 °C. La pirólisis anhidra también puede producir un combustible líquido similar al gasoil a partir de biomasa o plásticos. Una técnica común usa tiempos muy cortos (menos de dos segundos) y temperaturas entre 400 y 800 °C.

Pirólisis con agua (acuosa)

A veces, el término pirólisis se usa para la termólisis que ocurre con agua. Un ejemplo es el craqueo por vapor de agua del petróleo.

Pirólisis al vacío

En la pirólisis al vacío, el material orgánico se calienta en un espacio sin aire. Esto reduce el punto de ebullición de los productos y evita reacciones químicas no deseadas.

Usos de la pirólisis

Pirólisis de materiales renovables

La pirólisis es una tecnología prometedora para usar materiales renovables, como la madera y otros materiales vegetales. Esto podría ayudar a reemplazar los combustibles fósiles. Por eso, se investiga mucho en este campo. La pirólisis de biomasa es un paso para obtener biocombustibles y otros productos químicos.

La fabricación de productos mediante pirólisis puede reducir los gases que afectan el clima, en comparación con los métodos tradicionales que usan combustibles fósiles.

Pirólisis de residuos

La pirólisis se usa cada vez más para tratar residuos. No los elimina por completo, pero los transforma en carbón, aceite, gases, partículas, metales pesados o cenizas. Esto reduce el volumen de los residuos. Sin embargo, este proceso impide que los materiales se reciclen o reutilicen.

La pirólisis también puede reducir el volumen de los residuos y producir combustibles. Se ha usado para crear un combustible sintético para motores diésel a partir de residuos plásticos.

Es una alternativa importante a la incineración para aprovechar residuos como neumáticos, madera o plásticos. Hay muchas plantas de pirólisis en Asia, especialmente en Japón, y también se han probado en Alemania.

Además, la pirólisis se puede usar para limpiar suelos contaminados con petróleo o mercurio.

Producción y regeneración de carbón activado

Para producir carbón activado, el carbón y un aglutinante se mezclan y se calientan sin oxígeno.

El carbón activado usado, que tiene contaminantes, se calienta sin oxígeno. Los contaminantes se expulsan a unos 800 °C y se rompen parcialmente.

Reciclaje de plásticos

La pirólisis en lecho fluido, conocida como el proceso de Hamburgo, se utiliza para reciclar plásticos.

Otros usos de la pirólisis

• Recuperación de Acetileno mediante el proceso HTP.
• Fabricación de aromatizantes de humo.
• Cracking en petroquímica para producir gasolina con buenas propiedades antidetonantes.
• Pirólisis al vacío para crear estructuras complejas como los fullerenos.
• Producción industrial de negro de humo.
• Fabricación de Carbono reforzado con fibra de carbono.
• Coquería, para producir coque de lignito o hulla.
• Pirólisis combinada con cromatografía de gases (como GC/MS) para investigar materiales poliméricos.
• Extracción de hidrógeno del agua con antorchas de plasma.
• Los hornos autolimpiables usan una técnica basada en la pirólisis (con ayuda de oxígeno).

Futuro de la pirólisis

Las principales áreas de investigación en pirólisis son: la pirólisis catalítica y la pirólisis con la adición de otras sustancias.

Con los catalizadores, se puede aumentar la cantidad de ciertos productos y reducir la temperatura de la pirólisis. Sin embargo, los catalizadores pueden ensuciarse rápidamente y se necesitan nuevas instalaciones. Aunque no hay muchas plantas industriales de pirólisis catalítica, los investigadores japoneses están haciendo muchos avances.

En la segunda área, se han probado muchos compuestos que se añaden a las materias primas. Estas sustancias ayudan a que las materias primas se descompongan o evitan reacciones secundarias no deseadas. En la industria, se usan pequeños aditivos (50-300 ppm) para reducir la formación de coque durante la pirólisis.

También se está investigando el uso de campos físicos (como los acústicos o electromagnéticos) en la pirólisis. El efecto de estos campos es similar al de los catalizadores.

Además, hay mucho interés en las tecnologías de química de plasma, que usan plasma a baja temperatura. Esto permite que las reacciones ocurran a temperaturas muy altas (1000-10000 K). La ventaja principal es que se pueden usar materias primas de bajo valor o difíciles de procesar. Por ejemplo, el metano se puede descomponer fácilmente a estas temperaturas. Esto es muy prometedor, especialmente con el aumento de los precios del petróleo.

Véase también

En inglés: Pyrolysis Facts for Kids