Categoría: Sostenibilidad

Innovación con Grafeno

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovación con Grafeno:

Hacia una Industria del Cemento Más Sostenible y Eficiente

Parte 1

El dióxido de carbono (CO2) es un gas incoloro, inodoro y no tóxico presente de manera natural en la atmósfera. En condiciones normales debería mantenerse en equilibrio para retener el calor que el ser humano necesita para sobrevivir y sin que se convierta en un gas de efecto invernadero. Sin embargo, la sobrepoblación, industrialización y explotación del medio ambiente se han encargado de romper dicho equilibrio logrando que los niveles de CO2 sean cada vez más difíciles de controlar y, por lo tanto, que aumenten, se concentren, absorban la radiación y eviten que el calor escape, repercutiendo en el calentamiento global.  

De acuerdo con las estadísticas, la producción de cemento y la industria de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), son los responsables de liberar alrededor del 90% del CO2 y probablemente el 70% de los gases de efecto invernadero. Aunque obviamente otras industrias también contribuyen como la agricultura, la moda y el transporte.  

“La sustentabilidad de nuestra civilización depende de si podemos suministrar fuentes de energía, alimentos y productos químicos a la creciente población sin comprometer la salud de nuestro planeta a largo plazo”. Doria- Serrano, 2009.

En lo que respecta al cemento, el principal compuesto del concreto, los reportes mencionan que por sí solo aporta entre el 7 y 8% de las emisiones globales de CO2. Como referencia tenemos que, para producir una tonelada del Clinker, que a su vez es el principal componente del cemento, se liberan alrededor de ~0,86 toneladas de CO2, de las cuales, alrededor del 60% provienen de la transformación de la piedra caliza en óxido de calcio o cal a una temperatura promedio de 1450 °C, proceso también conocido como quemado del cemento o clinkerización. Mientras que el otro 40% se atribuye a la quema del combustible fósil (carbón) necesario para la calcinación de la piedra caliza y formación del Clinker.   

“En 2021 las emisiones de carbono generadas por la producción de cemento alcanzaron casi 2, 900 millones de toneladas de dióxido de carbono. Mientras que en 2002 se registraron 1,400 millones de toneladas.” The Global Carbon Project.

Por lo tanto, y en vías de alcanzar el objetivo del cero neto de emisiones para el 2050 que exige el acuerdo de París, la industria del cemento se ha visto obligada a tomar medidas que reduzcan su impacto a partir del uso de combustibles alternativos (biomasa, llantas, residuos sólidos urbanos); de mejorar la eficiencia energética reduciendo la temperatura de clinkerización a través de fundentes y mineralizadores (como CaF2, BaO, SnO2, P2O5, Na2O, NiO, ZnO, etc.) o de la renovación de hornos; de modificar la química del cemento con materiales suplementarios para reducir el consumo de Clinker o para capturar CO22 y, recientemente con el uso de grafeno para mejorar la calidad del cemento y del concreto.  

“Se espera que para el 2050 el consumo mundial de concreto de 25 mil millones al año aumente entre un 12 y un 23 %”

De acuerdo con la Cámara Nacional del Cemento (CANACEM), la gran mayoría de los proyectos registrados en Latinoamérica trabajan en la sustitución de combustibles fósiles por combustibles alternativos; México es el único país que registra una mayor producción de cementos adicionados para reducir el contenido de Clinker.

El Grafeno es un nanomaterial que consiste en láminas atómicas de carbono separadas del grafito, con propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, de barrera, etc. superiores a otros materiales base carbono, que le han permitido incursionar en un sinfín de aplicaciones e industrias, incluidas la de la construcción. De acuerdo con estimaciones del Graphene flagship, se espera que el uso de grafeno en la construcción reduzca las emisiones de CO2 en un 30%.

“La producción de 1 kg de grafeno produce 0,17 kg de CO2, en comparación con los 0,86 kg de CO2 del cemento Portland, reforzando las ventajas medioambientales del nanomaterial”.

Desde el aislamiento del Grafeno en 2004 y el posterior reconocimiento con el Premio Nobel de Física 2010 a sus descubridores, comenzó una carrera internacional para estudiar, comprender y obtener el nanomaterial en cantidades suficientes que pudiesen ser utilizadas en aplicaciones a gran escala a un costo asequible. En el ramo de la construcción no fue hasta el año 2018 en que las investigaciones e inversiones manifestaron sus primeros frutos en distintas partes del mundo, por ejemplo:

2018- Graphenemex® lanzó al mercado Nanocreto® el primer aditivo para concreto con óxido de grafeno en el mundo (México).

2019- Graphenenano desarrolló Smart aditives, aditivos con grafeno para concreto (España).

2019- GrapheneCA presentó su línea de productos OG concrete admix para la industria del concreto (E.U.A).

2021- Científicos de la Universidad de Manchester desarrollaron el aditivo para concreto Concretene (Reino Unido).

2022- Energeia Fusion- Graphenemex® lanzó al mercado la línea Graphenergy construcción, una versión mejorada de Nanocreto® (México).

2022- Versarien presentó ante el mercado CementeneTM la primera construcción por impresión 3D en el mundo con una mezcla reforzada con grafeno (Reino Unido).

Basquiroto de Souza y colaboradores en su artículo “Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry” publicado en 2022 en la revista Science Bulletin resumieron las áreas de oportunidad que el grafeno tiene en pro de la sustentabilidad de los materiales de construcción:

1. Reducción del cemento portland gracias a las importantes mejoras en resistencia a la compresión y módulo elástico del concreto.

2. Aumentar el aprovechamiento de subproductos o materiales reciclados en el concreto para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero hasta en un 7%, así como la reducción de un 2% en cuanto a consumo energético durante la fabricación de mortero reforzado con óxido de grafeno.

3. Reducción de costos de construcción debido a mejora en la resistencia o a la mayor incorporación de subproductos o materiales de desecho. De acuerdo con un análisis de costos se concluyó si bien el uso de óxido de grafeno puede incrementar ligeramente el costo del concreto, el índice de economía (resistencia a la compresión/costo por m3) de las mezclas puede aumentar hasta un 40 %.

4. Reducción en costos de mantenimiento. Al mejorar la calidad de las estructuras de concreto se infieren disminuciones de las emisiones de CO2 a través de una reducción en la cantidad de materiales de construcción y energía asociados con el mantenimiento.

5. Construcciones energéticamente eficientes: las propiedades térmicas del grafeno pueden aplicarse también a las construcciones para lograr ahorros energéticos disminuyendo el uso de sistemas de refrigeración/ calefacción.

Para Energeia- Graphenemex® la empresa líder en América Latina en el diseño de aplicaciones con materiales grafénicos es un orgullo formar parte de la línea del tiempo del grafeno para una construcción sostenible. 

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Ige, O.E.; Olanrewaju, O.A.; Duffy, K.J.; Collins, O.C. Environmental Impact Analysis of Portland Cement (CEM1) Using the Midpoint Method. Energies 2022, 15, 2708.
  2. International Energy Agency, World Business Council for Sustainable Development. Technology roadmap – low-carbon transition in the cement industry. April 2018
  3. Felipe Basquiroto de Souza, Xupei Yao, Wenchao Gao, Wenhui Duan, Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry, Science Bulletin, 2022, 67, 1, 2022, 5
  4. Papanikolaou I, Arena N, Al-Tabbaa A. Graphene nanoplatelet reinforced concrete for self-sensing structures– a lifecycle assessment perspective. Journal of Cleaner Production, 2019, 240: 118202
  5. Devi S, Khan R. Effect of graphene oxide on mechanical and durability performance of concrete. Journal of Building Engineering, 2020, 27: 101007
  6. Doria- Serrano. Química verde: un nuevo enfoque para el cuidado del medio ambiente. Educación química. 2009. UNAM.
  7. https://theplanetapp.com/que-son-las-emisiones-de-co2/
  8. https://graphene-flagship.eu/materials/news/materials-of-the-future-graphene-and-concrete/#:~:text=Graphene%2Denhanced%20concrete%20is%202.5,CO2%20emissions%20by%2030%25.
  9. https://www.versarien.com/files/5716/3050/8952/White_Paper_-_Graphene_for_the_construction_sector_-_final_version.pdf

Óxido de Grafeno y su versatilidad en el desarrollo de aplicaciones

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Óxido de Grafeno y su versatilidad en el desarrollo de aplicaciones:

De Tecnologías de Detección a Soluciones Ambientales

El grafeno y sus derivados como el óxido de grafeno (GO) y óxido de grafeno reducido (rGO) son nanomateriales de carbono bidimensionales y en forma de lámina con una amplia gama de oportunidades para numerosas aplicaciones debido a su delgadez, transparencia, conductividad, flexibilidad, estabilidad química, impermeabilidad y resistencia mecánica. En el caso del GO y rGO, además de su gran superficie de área con zonas hidrófilas e hidrófobas propias del grafeno, permiten la adsorción de moléculas aromáticas orgánicas, iones y polímeros mediante apilamiento π-π, puentes de hidrógeno e interacciones electrostáticas; propiedades que los convirtieron en materiales adecuados para la construcción de sensores o de plataformas biocatalíticas y fotocatalíticas. De acuerdo con diversos reportes, la relación superficie-volumen de los materiales de grafeno mejora la carga superficial de las moléculas deseadas, mientras que su excelente conductividad eléctrica, sobre todo a temperatura ambiente, favorece el paso de los electrones hacia la superficie de los electrodos para análisis o fotocatálisis.

Por otro lado, las láminas de grafeno no son propiamente planas, es decir, presentan ondulaciones que se forman como resultado de la unión entre sus átomos de carbono o de fluctuaciones térmicas que, finalmente, pueden inducir campos magnéticos y cambiar sus propiedades electrónicas para el diseño de sensores, biosensores o dispositivos electrónicos en general. Es así como en el transcurso de más de diez años de investigación y de la exploración de su maravillosa multifuncionalidad, el estudio del grafeno ha trascendido para el desarrollo de dispositivos altamente sensibles para monitorear, por ejemplo, la presencia de gases nocivos, moléculas o proteínas de relevancia médica e incluso para la descontaminación del agua.

Sistemas de detección

Los metamateriales son un tipo de compuestos con la capacidad de producir respuestas electromagnéticas útiles para el diseño de sensores o dispositivos de detección no destructiva. Por lo general, este tipo de sensores están conformados por un material aislante y un material conductor, sensibles al índice de refracción de la capa superior del analito. En presencia del grafeno se ha observado que dicha interacción (sensor- analito) se ve mejorada por cambios en la intensidad de la resonancia y, por lo tanto, se pueden lograr cambios de amplitud que favorecen aún más la sensibilidad de detección.

En un estudio realizado en 2023 por la Escuela de Ingeniería Electrónica y de la Información de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Zhejiang, Hangzhou, China, se diseñó un sensor compuesto por una película de poliimida (PI) como capa aislante, una estructura de aluminio como capa conductora y una monocapa de grafeno como interfaz de detección. Los resultados de la simulación indicaron que el grafeno puede modular todo el campo eléctrico y producir un cambio de amplitud que incrementa los límites detección de manera importante.

En otro estudio realizado en el Laboratorio de materiales nanoestructurados del Instituto de Física de la UASLP., se utilizó óxido de grafeno funcionalizado con nanopartículas de oro como plataforma de biodetección por SERS (Surface Enhanced Raman spectroscopy), una importante técnica para la detección biológica gracias a su alta sensibilidad, bajos requerimientos de muestra, relativamente bajo costo y detección en tiempo real. Para la investigación se utilizó cristal violeta como molécula estándar y flavin adenin dinucleótido como coenzima experimental por su participación en numerosos procesos redox de reacciones metabólicas y transporte biológico de electrones. Los resultados arrojaron que los híbridos de óxido de grafeno con nanopartículas de oro mejoran sustancialmente las señales SERS en comparación con las nanopartículas individuales. Además, los resultados son consistentes con otras investigaciones sobre la identificación de una importante mejora para la estabilización de moléculas y reducción de la fluorescencia durante las mediciones, la cual suele ser una gran desventaja de este tipo de técnicas, respaldando su potencial como herramienta diagnóstica o de seguimiento.

Eliminación de gases tóxicos

Los avances en la nanoingeniería permiten que las láminas de grafeno y GO puedan manipularse para la detección y separación de ciertos gases. De acuerdo con los resultados de un estudio realizado por el Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad de Hanyang, Seúl, Corea, la difusión selectiva se puede lograr controlando los canales y poros del flujo de gas mediante diferentes métodos de apilamiento, logrando demostrar que los grupos funcionales del GO proveen un comportamiento de adsorción único hacia el CO2. .

Conversión de CO2

Las propiedades fotocatalíticas del GO también pueden ser aprovechadas para la conversión de CO2 en hidrocarburos como el metanol para la captación de la energía solar y la reducción de CO2. En 2018, dentro del laboratorio de Tecnología Avanzada para Síntesis y Procesamiento de Materiales, de la Universidad Tecnológica de Wuhan, China, se utilizaron nanopartículas de cromato de plata (Ag2CrO4) como fotosensibilizador y GO como co- catalizador para la reducción fotocatalítica de CO2 en metanol y metano. El estudio concluyó que esta sinergia entre nanopartículas puede mejorar hasta 2,3 veces la actividad de conversión bajo irradiación solar gracias a una mejor absorción de luz, mayor adsorción de CO2 y mejor eficiencia en la separación de carga.

Descontaminación de agua

Las tecnologías del agua tienen diversas áreas de oportunidad, particularmente en el mejoramiento de los sistemas de filtración o de membranas. A este respecto se ha encontrado que el uso de nanoestructuras híbridas de grafeno, por ejemplo, con rutenio o magnetita puede permitir la eliminación de microorganismos y materia orgánica presentes en el agua. No obstante, se continúa el avance de las investigaciones para el perfeccionamiento de las metodologías basadas en grafeno para la eliminación y reducción de iones metálicos como el zinc, cobre, plomo, cadmio, cobalto, entre otros. 

En Energeia- Graphenemex® reconocemos y admiramos los avances que los centros de investigación han logrado en distintas áreas del conocimiento, partiendo de la ciencia básica hasta resultados en ciencia aplicada. Tenemos la firme convicción de que en el corto o mediano plazo este tipo de tecnologías las veremos materializadas en productos reales, útiles para la sociedad y el medio ambiente.

Redacción: EF/ DHS   

Referencias

  1. A. Fasolino, J.H. Los, M.I. Katsnelson, Intrinsic ripples in graphene, Nat. Mater. 6 (2007) 858;
  2. W. Bao, F. Miao, Z. Chen, H. Zhang, W. Jang, C. Dames, C.N. Lau, Controlled ripple texturing of suspended graphene and ultrathin graphite membranes, Nat. Nanotechnol. 4 (2009) 562;
  3. G. Yildiz, M. Bolton-Warberg and F. Awaja. Graphene and graphene oxide for bio-sensing: General properties and the effects of graphene ripples. Acta Biomaterialia 131 (2021) 62;
  4. Lang, T.; Xiao, M.; Cen,W. Graphene-Based Metamaterial Sensor for Pesticide Trace Detection. Biosensors 2023, 13, 560;
  5. D. Hernández- Sánchez, E. G. Villabona Leal, I. Saucedo-Orozco, V. Bracamonte, E. Pérez, C. Bittencourt and M. Quintana, Phys. Chem. Chem. Phys., 2017;
  6. Kim, H.W.; Yoon, H.W.; Yoon, S.-M.; Yoo, B.M.; Ahn, B.K.; Cho, Y.H.; Shin, H.J.; Yang, H.; Paik, U.; Kwon, S. Selective gas transport through few-layered graphene and graphene oxide membranes. Science 2013, 342, 91;
  7. Kim, D.; Kim, D.W.; Lim, H.-K.; Jeon, J.; Kim, H.; Jung, H.-T.; Lee, H. Intercalation of gas molecules in graphene oxide interlayer: The role of water. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 11142;
  8. Xu, D.; Cheng, B.; Wang, W.; Jiang, C.; Yu, J. Ag2CrO4/g-C3N4/graphene oxide ternary nanocomposite Z-scheme photocatalyst with enhanced CO2 reduction activity. Appl. Catal. B Environ. 2018, 231, 368;
  9. Jiˇríˇcková, A.; Jankovský, O.; Sofer, Z.; Sedmidubský, D. Synthesis and Applications of Graphene Oxide. Materials 2022, 15, 920;
  10. M. Quintana, E. Vazquez & M. Prato, “Organic Functionalization of Graphene in Dispersions”, Acc. Chem. Res., vol. 46, n.o 1, pp. 138-148, 2013. DOI: 10.1021/ar300138e; 11. Roberto Urcuyo1,2,3, Diego González-Flores1,3, Karla Cordero-Solano, Rev. Colomb. Quim., vol. 50, no. 1, pp. 51-85, 2021;
  11. B. Xue, M. Qin, J. Wu et al., “Electroresponsive Supramolecular Graphene Oxide Hydrogels for Active Bacteria Adsorption and Removal”, ACS Appl. Mater. Interfaces, 8, 24, 15120;
  12. C. Wang, C. Feng, Y. Gao, X. Ma, Q. Wu & Z. Wang, “Preparation of a graphene-based magnetic nanocomposite for the removal of an organic dye from aqueous solution”, Chem. Eng. J.,173, 1, 92.