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Líquidos iónicos, más que nuevos disolventes

La llegada de tecnologías más amigables con el medio ambiente permiten tener nuevos productos menos contaminantes al servicio de la industria. Conozca cómo los líquidos iónicos pueden ayudarle a reemplazar solventes contaminantes.

por Raúl Porcar García  y Julián A. Restrepo R.*

Muchos de los disolventes que emplea hoy en día la industria de pinturas han sido reconocidos por su inflamabilidad, peligrosidad, toxicidad e impacto medioambiental. Esto ha conducido a que cada vez la legislación genere normas más estrictas para el sector, suscitando la rápida respuesta de la industria, no sólo buscando reducir el impacto ocasionado en el medioambiente de sus procesos de fabricación, sino la reducción de las consecuencias inherentes a sus productos y la búsqueda de alternativas.

Bajo este esquema, han surgido alternativas ambientalmente más amigables, tal como los disolventes verdes, también denominados disolventes alternativos o nuevos disolventes, los cuales son una serie de sustancias que se contemplan como alternativas a las actuales para reducir el impacto ocasionado por el uso de los disolventes orgánicos convencionales. Esto es, disolventes ambientalmente más amigables para la reducción o eliminación de la generación de COVs (compuestos orgánicos volátiles).

Considerando el punto de vista de la “Química verde”, los “disolventes alternativos” están incluidos en los denominados “disolventes neotéricos”, y si en esta clasificación omitimos el agua por ser un disolvente empleado ya desde hace varios años por la industria de pinturas, tenemos que entre estos nuevos disolventes se encuentran, principalmente [1]:

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  • Disolventes renovables: Obtenidos a partir de materias primas renovables, también denominados “bio-disolventes”.
  • Disolventes Fluorados: Los cuales en lugar de ser disolventes hidrocarbonados (HC) son disolventes fluorocarbonados (FC).
  • Fluidos supercríticos (FSCs): Los usos más comunes se tienen en el empleo de agua supercrítica (scH2O) y CO2 supercrítico (scCO2), como reemplazo a disolventes halogenados, como el diclorometano, en procesos industriales.
  • Líquidos Iónicos: Su mayor ventaja como “disolventes verdes” es su escasa volatilidad a temperatura ambiente, por lo que no se consideran COVs.
Debido a que la aplicación de los líquidos iónicos en la formulación de pinturas comerciales es aún poca, teniendo presente que su costo es relativamente alto, el objetivo de este trabajo es ilustrar al lector a cerca de los líquidos iónicos, ya que aunque estos son considerados una alternativa para el reemplazo de los disolventes hidrocarbonados, se mostrará que no sólo deben ser tomados como disolventes de reemplazo a los convencionales, sino que se mostrará una serie de interesantes aplicaciones en las que pueden ser empleados en la industria de pinturas para la reducción del impacto ambiental de los recubrimientos.

Líquidos iónicos: una alternativa verde
Los Líquidos Iónicos (LIs) son compuestos iónicos formados por la combinación de un catión y un anión, tal como las sales, por lo que también se emplea el término de “sales fundidas” para referirse de manera general a los LIs.


Debe aclararse que la diferencia entre líquido iónico y sal fundida es un poco artificial, empleándose por convención el término general de LIs para designar aquellos compuestos iónicos cuya temperatura de fusión está por debajo de los 100ºC. Comparativamente, una sal como el cloruro de sodio (sal común) tiene un punto de fusión mayor a 800ºC, siendo sólida a temperatura ambiente. Mientras que para aquellos compuestos iónicos que son líquidos a temperatura ambiente (esto es, con puntos de fusión inferiores a 25ºC), se emplea más específicamente el término de líquidos iónicos a temperatura ambiente ó RTILs (por su acrónimo en inglés). En realidad, los LIs no son sustancias nuevas, ya que el uso de sales fundidas en diferentes aplicaciones ya era conocido desde el siglo XIX, siendo los primeros LIs basados en sales alquilamónicas [2].

Los LIs presentan una serie de ventajas con relación a muchas de las sustancias que empleamos como disolventes, tales como excelente estabilidad térmica y química, volatilidad prácticamente nula (debido a su baja presión de vapor), alta capacidad térmica y alta resistencia a la combustión; puntos de fusión bajos, son líquidos en un amplio intervalo de temperatura (entre -50 y 250ºC) y poseen un alto poder disolvente para muchas sustancias (su alto poder disolvente permite emplearlos en química como medio de reacción). Además no son corrosivos, ni inflamables, presentan viscosidades parecidas a los disolventes orgánicos tradicionales, así como son reciclables y pueden ser empleados incluso como catalizadores.

Los LIs son también denominados “disolventes de diseño”, ya que se puede usar un gran número de cationes y aniones para su síntesis con el fin de obtener compuestos con diversas propiedades. Así existe una gran variedad de LIs, cuyas propiedades dependen de la naturaleza de los iones constituyentes y estructura química, tal como su miscibilidad en agua y en disolventes orgánicos: se tienen LIs solubles en agua y otros son completamente insolubles en ella (aún siendo estos muy higroscópicos).

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El empleo de LIs es interesante debido a la posibilidad de sustituir los disolventes orgánicos tradicionales, lo que permitirá considerables mejoras medioambientales, minimizando la emisión a la atmósfera de COVs. La estricta naturaleza no volátil de los LIs ofrece una oportunidad de reducir, o incluso eliminar completamente la emisión de sustancias tóxicas y peligrosas a la atmósfera y de esta manera alcanzar beneficios medioambientales. Por ello los LIs han ido ganando interés en muchos campos, incluyendo la química orgánica, electroquímica, catálisis, físico-química e ingeniería, incluso se tienen aplicaciones de líquidos iónicos magnéticos.

En general, lo que hace que un disolvente sea verde es su utilización dentro de una aplicación específica, ya que ninguna de las principales propiedades de los LIs por si sola da lugar a procesos más limpios o menos contaminantes, esto sólo se logra cuando se consigue un incremento en la eficiencia, una disminución de los residuos y una minimización de pérdidas de material. De este modo, si un LIs es capaz de reunir estas condiciones se puede clasificar como disolvente verde e incorporarlo dentro de las diversas aplicaciones con las que cuenta la Química Verde.


En general, se puede anotar que las numerosas aplicaciones de los LIs han reducido notablemente el impacto medioambiental respecto a los disolventes convencionales, mejorando la eficiencia del proceso y minimizando los residuos generados.

Algunas aplicaciones como disolventes
Los LIs se consideran una de las alternativas para la reducción o reemplazo de COVs, debido a que como se ha mencionado, tienen prácticamente una nula volatilidad.

En el desarrollo comercial de los LIs como disolventes, tenemos atractivos ejemplos como el de la compañía alemana BASF, la cual oferta unos 20 LIs bajo la marca comercial de Basionics, para otras compañías que deseen desarrollar sus propios procesos basados en LIs, de hecho, BASF va más allá y desea desarrollar LIs disponibles a gran escala a precios razonables y ofrecer soporte técnico a sus clientes para la optimización de sus procesos basados en LIs [3].

Otra compañía que ha desarrollado LIs comerciales es la norteamericana n-Gimat, la cual oferta LIs basados en sales de 2-etilhexanoato de metales, como cobalto (II), níquel (VI) y zinc (II), y otros con cationes de naturaleza orgánica, tal como colina (una amina cuaternaria saturada) y etilendiamina [4]. Todos ellos líquidos a temperatura ambiente (RTILs), excepto el de cobalto (II), y además, son incoloros, excepto el de níquel que es de coloración verde. Una ventaja medioambiental adicional es el hecho de que están libres de compuestos halogenados.

Otro ejemplo se tiene en reacciones en fase líquida, en donde se reporta el empleo de LIs de fosfonio compatibles con bases fuertes, lo que permite reducir la generación de COVs y el empleo de disolventes halogenados [5].

También hay interesantes estudios para el empleo de LIs como disolventes verdes para compuestos provenientes de materiales renovables, tal como la celulosa [6] y la lignina [7]. Estos estudios resultan muy importantes, teniendo presente que la celulosa y la lignina son, en su orden, los biomateriales más abundantes en la tierra, además de que son compuestos presentes en la mayoría de los recursos madereros y de que sus derivados tienen importantes aplicaciones en la industria de la fibra, papel, pinturas, en la fabricación de membranas y polímeros, por lo que poseen un importante potencial en un marco de desarrollo sostenible.

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Pero debe decirse que a pesar de los numerosos estudios para el empleo de los LIs como disolventes, debido a su alto costo y a que son productos que están todavía en etapa de desarrollo, actualmente no se emplean ampliamente como disolventes y sólo son empleados en unos pocos procesos industriales.

Los principales procesos que pueden mencionarse y que emplean LIs son:

  • El proceso BASIL (Biphasic Acid Scavenging utilising Ionic Liquids), desarrollado por BASF para la producción de alcoxifenilfosfinas [8], con el que recibió el premio ECN de innovación en el año 2004, por el desarrollo del primer proceso a gran escala que empleaba LIs en un proceso industrial.
  • El proceso Difasol desarrollado por el Instituto Francés del Petróleo (IFP), el cual se basa en la dimerización de alquenos, generalmente propeno y buteno, para producir hexeno y octeto, empleando un líquido iónico como disolvente y un catalizador de níquel [9].
  • También debe mencionarse que el proceso de hidrosilación bifásica en LIs está listo para su implementación industrial en los próximos años [10].

Líquidos Iónicos: ¿Sólo disolventes alternativos?
Debido a sus características de baja volatilidad, además de disolventes, los LIs pueden ser empleados como electrolitos, en dispositivos para el almacenamiento de calor, en el procesamiento de metales, procesos de separación y purificación, así como en pinturas pueden emplearse como aditivos. Así, en este apartado se mostrará que los LIs no solo se emplean como disolventes sino que presentan otras aplicaciones de elevado interés industrial y medioambiental.

Los LIs, además de ser ambientalmente más amigables, presentan algunas ventajas adicionales que no tienen otros disolventes, tal como [4]:
Disolución de óxidos metálicos, minerales y materiales refractarios (se pueden emplear en la producción de óxidos metálicos).
Muchos son inmiscibles con agua, por lo cual pueden ser empleados en procesos de separación.
Disuelven hidrocarburos tanto de naturaleza polar como no-polar, lo cual los hace muy versátiles para su empleo en síntesis orgánica.


Específicamente en el área de pinturas y recubrimientos, los LIs pueden emplearse como “aditivos de desempeño”, en donde se vislumbra un mayor y más interesante potencial de aplicación para éstos, de los cuales se puede mencionar algunos ejemplos:

  • La compañía alemana Degussa utiliza LIs como aditivos en la fabricación de nuevas pinturas (ver figura), con el objetivo de mejorar el acabado, la apariencia y las propiedades de secado, esto permite la reducción del uso de COVs [11]. Otra aplicación, en la cual Degussa investiga, es en el uso de LI en baterías de litio como electrolitos.
  • Estudios reportan que los LIs pueden emplearse como plastificantes de polimetilmetacrilato (PMMA) y polivinilcloruro (PVC) [12, 13].
  • También existen investigaciones en las que LIs se han empleado como dispersantes y surfactantes para estabilizar pigmentos, pinturas y lacas, así como pueden emplearse en la formulación de detergentes [14].
  • Adicionalmente, hay estudios de su uso como biocidas, teniendo un efecto inhibidor contra diferentes bacterias y hongos [15].
  • Finalmente, debe mencionarse que además de presentar muchas otras aplicaciones potenciales, los LIs también pueden ser biodegradables [16] u obtenerse a partir de fuentes renovables [17], lo que hace que tengan un mayor potencial de aplicación en la producción de productos ambientalmente más amigables.
Referencias
[1] Restrepo, J. A. Inpralatina, Vol. 13, No. 4, julio/agosto de 2008, p.28-31.
[2] Gabriel, S.;  Weiner, J. Chemische Berichte, 21 (2), (1888), p.2669–2679.
[3] Baker, J. Eur. Chem. News, sept-oct., 2004, p.18-20.
[4] Visitar: www.ngimat.com
[5] Ramnial, T.; Ino, D.D. y Clyburne, J.A.C. Chem. Comm., 2005, p.325-327.
[6] Swatloski, R.P.; Spear, S.K.; Holbrey, J. D. y Rogers, R. D. J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, p.4974-4975.
[7] Pu, Y.; Nan, J. y Ragauskas, A.J. Jour. Wood Chem. & Tech., 2007, 27, p.23-33.
[8] Visitar: http://www.basf.com/corporate/051004_ionic.htm.
[9] Masse, M. Multiphase Homogeneous Catalysis, Ed. C. Boy, Wiley-VCH, Weinheim, 2005, p. 560.
[10] Geldbach, T.J.; Zhao, D. B.; Castillo, N.C.; Laurenczy, G.; Weyershausen, B.; Dyson, P. J. J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, p.9773-9780.
[11] Weyershausen, B, y Lehmann, K. Green Chem., 2005, 7, p.15-19.
[12] Scott, M.P.; Brazel, C.S.; Benton, M.G.; Mays, J.W.; Holbreyc, J.D. y Rogers, R.D. Chem. Comm., 2002, p.1370–1371.
[13] Zhao, H. Chem. Eng. Comm., 2006, 193, págs.1660–1677.
[14] Baker, G. A.; Pandey, S.; Pandey, S. y Baker, S. N. Analyst, 2004, 129, p.890-892.
[15] Pernak, J.; Sobaszkiewicz, K. y Mirska, I. Green Chem., 2003, 5, p.52–56.
[16] Garcia, M. T.; Gathergood, N. y Scammells, P. J. Green. Chem., 2005, 7, p. 9–14.
[17] Imperato, G., König, B. y Chiappe, C. Eur. J. Org. Chem. 2007, p. 1049–1058.
[18] Visite  www.invesa.com, productos amigos de la calidad y el medioambiente.
[19]  J.A.R. agradece el soporte financiero al Programa AlBan-Fundación Banco Santander por la concesión de la beca para estudios de postgrado No. E07D402098CO.

* Centro Tecnológico, INVESA S.A.(a)
Depto. Química Inorgánica y Orgánica, Universitat Jaume I (b)
julianres@hotmail.com
Castellón, España

Author: Vanesa Restrepo

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