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Hidrógeno mejora rendimiento de motores de combustión interna

 
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MANIZALES, 15 de agosto de 2017 — Agencia de Noticias UN—

Por disminuir la generación de gases efecto invernadero, el hidrógeno se convierte en una alternativa ambiental con la ventaja adicional de ser menos costoso que los combustibles fósiles como la gasolina y el ACPM.  Continue reading Hidrógeno mejora rendimiento de motores de combustión interna

PILAS DE HIDRÓGENO, ENERGÍA LIMPIA PARA VEHÍCULOS

 
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pilasdehidrogeno14 de agosto de 2014

En lo que va del siglo, los vehículos que utilizan hidrógeno como combustible se han convertido en una opción ante el agotamiento del petróleo y la contaminación por gasolina. Los principales fabricantes de automóviles en el mundo han invertido millones de dólares en investigación y desarrollo de motores que funcionen con este recurso.

Alejandra López Suárez, del Instituto de Física (IF) de la UNAM, trabaja en el diseño de pilas de ese elemento, como celdas de combustible a partir de un hidruro metálico, metal en cuya estructura se introdujo hidrógeno.

TiAlV

“Pongo en contacto el metal con el hidrógeno y aplico calor. Al recibirla, el elemento en forma molecular queda en la superficie. Como el sistema recibe aún esta energía, el hidrógeno molecular se disocia, se convierte en atómico y fluye dentro de la estructura”, explicó.

Los metales son estructuras cristalinas, por lo que sus átomos se acomodan en forma de red. En ellas hay huecos en los que los átomos de hidrógeno, muy pequeños y ligeros, se filtran y utilizan rutas intersticiales para migrar al interior.

“Sin embargo, en esta fase todavía no se tiene un hidruro metálico porque el hidrógeno se puede escapar. El sistema recibe temperatura, por lo que en algún momento se satura de hidrógeno”.

No todos los metales pueden absorber hidrógeno y formar hidruros metálicos. Los que funcionan mejor son las aleaciones de titanio, como la de este metal y el fierro o cromo. No obstante, un hidruro metálico formado por la aleación de titanio-fierro se oxida fácilmente y se vuelve quebradizo a medida que recibe hidrógeno.

Por eso trabajo con una aleación de titanio, aluminio y vanadio (Ti-6Al-4V) conocida también como TiAlV, que en la práctica ha demostrado ser resistente. Aunque también se oxida, tiene la ventaja de que al entrar en contacto con el aire se forma una capa superficial delgada de óxido que protege al resto del material.

Después de muchas pruebas se observó que absorbía gran cantidad de hidrógeno y que en los primeros ciclos de hidrogenación se comportaba como titanio-fierro y titanio-cromo.

“También llevé a cabo pruebas de liberación de este elemento (desorción). Debemos tener control sobre este proceso para que en el momento en que a las pilas se les aplique la temperatura necesaria, liberen el hidrógeno”, puntualizó.

Hidrogenaciones

Con el Peletrón —el acelerador de partículas del IF— y una técnica nuclear denominada ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis) midió la cantidad de hidrógeno tanto en la superficie como dentro del TiAlV. Con esta información analizó cada temperatura a la cual se horneó la aleación y cómo ingresó el elemento en ella.

“A mayor temperatura entra más. Para saber en qué momento el TiAlV y el titanio usado como control empezaban a absorberlo apliqué temperaturas desde los 50 grados Celsius hasta los 750. A 500 grados se quedó en la superficie del material; a 550 grados, se absorbió poco, pero a partir de ahí empezó a entrar grandes cantidades. Fue un salto fundamental en la hidrogenación, tanto del titanio como del TiAlV. Este último no sufrió ningún cambio en su estructura, pero el titanio se fracturó a partir de los 650 grados”.

En esta etapa, la investigadora sabía de esta presencia dentro de su material, pero no si estaba como hidruro presente en enlaces o como hidrógeno atómico.

Con otra técnica conocida como difracción de rayos X, que brinda una especie de fotografía del material, se observaron estos vínculos entre los elementos y se comprobó que se formaba hidruro metálico.

Era importante conocer la estabilidad del material por lo cual lo almacenó un año a temperatura ambiente para analizar su evolución. Después de ese lapso descubrió que la cantidad en forma de hidruro metálico se conservaba intacta.

Sin embargo, para usar este último como tanque de combustible, una sola hidrogenación es insuficiente. “Hice hasta cinco más y descubrí que cada vez era más fácil introducir el elemento en el sistema”, dijo.

En éste, el hidrógeno no está en estado gaseoso ni líquido, sino sólido, lo que hace estable y seguro su manejo. Al aplicar altas temperaturas se rompen los enlaces metal-hidrógeno y éste se libera de manera controlada.

Hasta ahora, el hidrógeno almacenado en celdas de combustible puede utilizarse mediante dos procesos: la combustión y la conversión en electricidad. En la primera se quema en un motor de explosión, como la gasolina, pero de esta manera es poco eficiente. En la segunda, las pilas de este elemento dan mejores resultados, pues los vehículos funcionan como si fueran eléctricos de baterías.

Las pilas trabajan así: reciben hidrógeno de las celdas de combustible y oxígeno del aire; luego, mediante un proceso electroquímico se genera vapor de agua y energía eléctrica para hacer funcionar el motor. Como el subproducto del proceso de conversión en electricidad es vapor de agua, este combustible se considera limpio.

Créditos: UNAM-DGCS-464-2014

Desarrollan en la UNAM nanocatalizador que separa el azufre del petróleo

 
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28 de octubre de 2013

Desarrollan en la UNAM nanocatalizador que separa el azufre del petróleo
Desarrollan en la UNAM nanocatalizador que separa el azufre del petróleo

• El proceso mejora la calidad de los hidrocarburos mexicanos y reduce las emisiones contaminantes al ambiente, dijo Sergio Fuentes Moyado, director del Centro de Nanociencias y Nanotecnología
• Protegido con una patente, el desarrollo cuenta con prototipos y pruebas a escalas experimental y piloto; espera la aprobación de Petróleos Mexicanos para avanzar a escala industrial en una refinería de la paraestatal

Para generar combustibles “ultralimpios” con bajo contenido de azufre y menos emisiones contaminantes al ambiente, Sergio Fuentes Moyado, director del Centro de Nanociencias y Nanotecnología (CNyN) de la UNAM, encabeza un proyecto multi institucional para llevar a la industria petrolera un nanocatalizador que separa el azufre del petróleo.

Luego de tres años de investigación a escalas experimental y piloto, el desarrollo tecnológico cuenta con prototipos, una patente nacional y está listo para probarse en la industria, en alguna refinería.

En la actualidad, en los países desarrollados se admiten menos de 30 partes por millón de azufre en las gasolinas y menos de 15 en el diésel. “En principio los petróleos se clasifican en ligeros y pesados, según la densidad y el número de impurezas que contiene”, el problema es que el petróleo mexicano tipo Maya, agrupado entre los crudos pesados, tiene hasta 30 mil partes por millón de ese elemento químico, muy contaminante para el ambiente.

“Con el nanocatalizador logramos bajar el diésel a 10 ó 15 partes de azufre por millón durante el proceso de refinación llamado hidrodesulfuración o eliminación del azufre”, destacó Fuentes Moyado, ingeniero químico y doctor de Estado en ciencias físicas.

Además del grupo del CNyN, en el proyecto participan, por parte de la UNAM, los institutos de Física y de Investigaciones en Materiales, así como el Centro de Ciencias Aplicadas y de Desarrollo Tecnológico. Interinstitucionalmente, las universidades Veracruzana, Autónoma Metropolitana, Autónoma de Baja California, del Papaloapan, de Texas en San Antonio, Estados Unidos y el Instituto de Investigación sobre Catálisis y Medio Ambiente (IRCELYON, por sus siglas en francés) de Lyon, Francia.

“Es un proyecto en el que llevamos el liderazgo, pero es una colaboración entre varias instituciones. Lo sometimos al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología en la convocatoria Sener-Hidrocarburos y en los últimos tres años hemos obtenido resultados satisfactorios que cumplen los requerimientos que Petróleos Mexicanos (Pemex) marca, pues la paraestatal hace un esfuerzo para generar esos combustibles ultralimpios dentro de las refinerías.

“Llegamos a obtener diésel bajo las condiciones que ellos usan en la planta y logramos catalizadores que obtienen menos de 10 partes por millón de azufre”, explicó.

Eficiencia a escala nano

El funcionamiento de este proceso se realiza con catalizadores a nivel nanométrico. “Eso lo hace eficiente y con las cantidades o volúmenes que se requieren”, detalló.

En el proceso de hidrodesulfuración, los nanocatalizadores logran quitar azufre. “El catalizador lo elimina de las moléculas de la gasolina y del diésel, pues éstas se depositan sobre pequeños arreglos a nivel de cuatro a cinco nanómetros y ahí ocurre la reacción y se suprime el azufre en presencia de hidrógeno. Así, a la salida del proceso se obtienen moléculas limpias, que se utilizan en los combustibles”, destacó.

La parte más importante del desarrollo, que es la síntesis del catalizador, se realizó en Ensenada, Baja California, en el Laboratorio de Procesamiento de Hidrocarburos, creado a raíz de la autorización de este proyecto.

“Tenemos patente, proyectos en planta piloto y prototipos. Ahora hacemos el estudio para saber si se puede escalar a nivel industrial, producir toneladas en vez de kilogramos e instalar el proceso en una refinería”, acotó.

En estos tres años de trabajo han pasado de la fase experimental en el CNyN en Ensenada, a la planta piloto del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP), en el Distrito Federal.

Para avanzar, Pemex debe aprobar que el proyecto pase a la escala de producción de toneladas. “Hemos presentado un avance de los resultados, están interesados y falta una reunión para decidir las posibilidades de que se realice a escala industrial”, relató.

De ser así, los nanocatalizadores se fabricarían en Estados Unidos, pues en nuestro país no existen empresas que los hagan.

“Se requiere gran infraestructura. El diseño que hemos hecho partió desde lo más fundamental, que es entender cómo se unen las moléculas a los catalizadores y cómo podemos lograr que los sitios activos del catalizador tengan más contacto con el fluido, sea gasolina o diésel. Hay un diseño involucrado con aplicación del conocimiento”. Ojalá en un futuro podamos producirlos totalmente en México, concluyó.

Créditos: UNAM-DGCS-644

Obtienen electricidad e hidrógeno de aguas residuales

 
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Investigadores de la Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería, trabajan en el desarrollo de una nueva tecnología para obtener energía eléctrica sustentable, hidrógeno como combustible, y agua limpia, a partir del tratamiento del líquido residual.
Investigadores de la Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería, trabajan en el desarrollo de una nueva tecnología para obtener energía eléctrica sustentable, hidrógeno como combustible, y agua limpia, a partir del tratamiento del líquido residual.

14 de enero de 2012

• Un grupo de investigación del Instituto de Ingeniería de la UNAM, campus Juriquilla, recurre a métodos biológicos que utilizan bacterias presentes en el medio ambiente

Ante la degradación ambiental del planeta, y una más que probable crisis energética en el futuro, investigadores de la Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería (II) de la UNAM, trabajan en el desarrollo de una nueva tecnología para obtener energía eléctrica sustentable, hidrógeno como combustible, y agua limpia, a partir del tratamiento del líquido residual, con bacterias presentes en el medio ambiente.

En las plantas tradicionales, la materia orgánica que causa la contaminación es degradada por bacterias. Si el proceso es aerobio se inyecta aire para permitir la oxidación y así se obtiene dióxido de carbono, agua y más microorganismos. Si es anaerobio no se requiere aire; en este caso, se transforma en metano, dióxido de carbono y más bacterias.

En estas reacciones ocurre una transferencia de electrones, llamadas reacciones de óxido-reducción, porque en ellas hay sustancias que se oxidan y otras que se reducen.

Ante la interrogante de qué sucede si, en lugar de transferir los electrones en las reacciones químicas, las bacterias los transfieren a un ánodo, que es un electrodo negativo, Germán Buitrón Méndez, coordinador del Laboratorio de Investigación en Procesos Avanzados de Tratamiento de Aguas (LIPATA) de la unidad académica, explicó que se generan electrones que pueden ser ‘cosechados’.

Cosecha de electrones

Este proceso se puede llevar a cabo en una celda de combustible microbiana, dispositivo que puede convertir, mediante microorganismos, energía bioquímica, en eléctrica.

Para obtenerla, las bacterias transfieren electrones desde un donador de éstos, como el agua residual (materia orgánica), a un aceptor de electrones, como el oxígeno.

En esas celdas, las bacterias no los transfieren directamente a un aceptor final de electrones característico, sino a un electrodo, es decir, a un ánodo.

Posteriormente pasan, a través de una resistencia u otra carga, a un cátodo, por lo que los electrones generados en la reacción son “cosechados” y convertidos directamente en energía eléctrica. El carbono orgánico es transformado en dióxido de carbono.

Para cerrar el ciclo, los protones migran hacia el cátodo en aerobiosis, donde se combinan con el oxígeno para formar agua. “Nuestro objetivo es obtener, a partir del tratamiento de las residuales, líquido limpio, pero también otros productos. Con el tratamiento convencional se obtiene, por medio del suministro de energía, agua tratada. Con esta nueva tecnología logramos un valor agregado: energía eléctrica, hidrógeno y metano”.

Esquema más atractivo

La cantidad de energía eléctrica producida mediante esta nueva tecnología depende de las bacterias adheridas al ánodo; así, entre más haya, y mayor sea la superficie de este último, se originará en mayor medida.
Su generación no es suficiente para alumbrar grandes ciudades, por ejemplo, pero el esquema resulta mucho más atractivo si se puede conseguir hidrógeno con ella.

“Este último elemento contiene un poder calorífico dos y media veces más elevado que el metano. Además, al quemarse sólo produce agua, es decir, no contamina”, señaló Buitrón Méndez.

En fase de perfeccionamiento

Si en una primera etapa del tratamiento de aguas residuales la materia orgánica se fermenta en anaerobiosis, es posible producir hidrógeno y subproductos como ácidos grasos volátiles (acético, propiónico, butírico), que pueden alimentar a una celda electroquímica microbiana para que produzca más hidrógeno.

“Esa celda funciona de una manera diametralmente opuesta a como lo hace una de combustible microbiana: necesita energía eléctrica para transformar la materia orgánica en hidrógeno; en este dispositivo, las bacterias colonizan también un ánodo”.

Con ayuda de los electrones suministrados, los ácidos grasos se transforman en hidrógeno. Es en este punto donde la energía eléctrica generada por la celda de combustible microbiana puede aprovecharse en la celda electroquímica; de este modo, ya no es necesario recurrir a energía eléctrica externa.

Los investigadores estudian cómo incrementar la producción de hidrógeno obtenido por la fermentación de la materia orgánica y con una celda electroquímica microbiana. “Esta tecnología se encuentra en desarrollo. Los retos son diseñar y configurar ambos tipos de celdas con materiales no costosos, y hacer que la de combustible microbiana genere la mayor cantidad posible de energía eléctrica; y la electroquímica, de hidrógeno.

“Es importante también abordar aspectos más básicos, como qué clase de bacterias colonizan el ánodo y bajo qué condiciones”, concluyó.

Buitrón Méndez y sus colaboradores mantienen permanente colaboración con Katy Juárez, del Instituto de Biotecnología, campus Morelos, de la UNAM (quien trabaja con bacterias del género Geobacter); con investigadores de la Arizona State University en Estados Unidos, y con integrantes del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICYT), todos relacionados con temas de este proyecto.
Créditos: unam.mx/boletin/026/2012

PRODUCEN HIDRÓGENO EN BACTERIAS PARA OBTENER ENERGÍA LIMPIA

 
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Germán Buitrón Méndez, coordinador e investigador del Laboratorio de Investigación en Procesos Avanzados de Tratamiento de Aguas de la Facultad de Ingeniería.
Germán Buitrón Méndez, coordinador e investigador del Laboratorio de Investigación en Procesos Avanzados de Tratamiento de Aguas de la Facultad de Ingeniería.

25 de abril de 2011

• Tiene un alto contenido energético y no genera gases de efecto invernadero
• Con ese objetivo, Germán Buitrón y su grupo cultivan microorganismos en el LIPATA de la Facultad de Ingeniería de la UNAM
• En esta idea, que puede constituir a futuro una economía basada en ese elemento en lugar del petróleo, también trabajan, en proyectos independientes, científicos de China y Estados Unidos, indicó

Para obtener una fuente de energía que no contamine, investigadores del Laboratorio de Investigación en Procesos Avanzados de Tratamiento de Aguas (LIPATA) de la Facultad de Ingeniería (FI) de la UNAM, cultivan bacterias que producen hidrógeno, elemento de alto contenido energético que no genera gases de efecto invernadero.

Especialista en el tratamiento de aguas residuales, Germán Buitrón Méndez, coordinador e investigador del LIPATA, ha detectado que en el proceso para limpiar el líquido, existen subproductos aprovechables para generar energía de manera sustentable y crear un ciclo que ofrece una alternativa para obtenerla sin recurrir al petróleo.

Con Christian Hernández, estudiante doctoral, Buitrón ensaya en su laboratorio del campus Juriquilla, en Querétaro. “Nos hemos enfocado a la producción que se conoce como fermentación oscura, es decir, la utilización de bacterias en esa fase de degradación para producir el hidrógeno”, explicó.

Cómo funciona

En un proceso anaerobio o de ausencia de aire, las bacterias del género Clostridium (formadoras de esporas) degradan la materia orgánica y originan ácidos grasos, dióxido de carbono (CO2) e hidrógeno.

“El reto es maximizar la generación, porque las cantidades que se obtienen son bajas. Actualmente, estudiamos cómo hacer que las velocidades de producción del hidrógeno se incrementen”, comentó.

En esta idea, que puede constituir a futuro una economía basada en ese elemento en lugar del petróleo, también trabajan, en proyectos independientes, científicos de China y Estados Unidos, indicó.

Subproducto de agua residual

En el tratamiento del líquido residual por vía anaerobia, la materia orgánica, empleada como sustrato por los microorganismos, es transformada, principalmente en una mezcla de metano (CH4) y CO2, que se conoce como biogás.

La idea del proyecto es emplear ese proceso para producir hidrógeno sin llegar a la transformación del sustrato en metano.

“El principal interés en el uso del primer elemento es que no genera gases de efecto invernadero, pues como subproducto de su combustión sólo se produce agua. Además, tiene un alto poder calorífico”. El valor energético de un kilogramo de hidrógeno es equivalente al de 2.4 kilogramos de metano, ó 2.75 veces más energía que los hidrocarburos, prosiguió Buitrón.

Aunque la materia orgánica procedente de aguas residuales es quizá insuficiente para sostener una energía global, esta forma podría ayudar a compensar, de manera sustancial, los costos del tratamiento de líquidos, especialmente aquellos con altas concentraciones de materia orgánica, abundó.

Biohidrógeno por todas partes

El biohidrógeno, es decir, el hidrógeno obtenido mediante procesos biológicos, puede ser producido por cultivos puros o mixtos de bacterias provenientes de diferentes fuentes, como suelo, sedimentos, composta, lodos aerobios y anaerobios.

Muchos organismos anaerobios pueden producir hidrógeno en ausencia de luz, a partir de los carbohidratos contenidos en residuos orgánicos. Las bacterias del género Clostridium, estrictamente anaerobias, son una excelente opción para obtenerlo a partir de la fermentación. Ésa es la razón por la que los expertos de LIPATA ensayan con ellas.

“Hemos trabajado con desechos de la industria tequilera, como las vinazas, azúcares concentrados después de destilar licor”, señaló el universitario, que se concentra en el estudio de las condiciones más adecuadas para obtener y mantener estas bacterias, de tal manera que puedan optimizar el proceso.

Créditos: UNAM-DGCS-242/2011/unam.mx