Sobrevivir al reactor: El platino frente a los ánodos MMO en la química agresiva

Samuel: Bienvenidos a Material Talks. Soy Samuel Matthews, de Stanford Advanced Materials. Si está desarrollando un nuevo producto farmacéutico intermedio o una especialidad química de alto rendimiento, es probable que haya pasado meses perfeccionando la química. Pero todo ese trabajo puede echarse a perder en unos días, no por una reacción defectuosa, sino por un fallo silencioso en el propio reactor. Es la diferencia entre un proceso que funciona durante años y otro que falla de forma impredecible. Para explicar esto, me acompaña la Dra. Lisa Reynolds, que dirige la ingeniería de aplicaciones de nuestra división de tecnologías químicas. Lisa, en tu trabajo, ¿cuál es el error más común sobre la corrosión en estos procesos de alto valor?

Lisa: Gracias, Samuel. El mayor error es considerarla un simple problema de "desgaste". No es así. En un reactor en el que se manipulan ácidos o haluros calientes y mezclados bajo presión, nos enfrentamos a mecanismos de ataque sinérgicos y acelerados, como picaduras bajo depósitos o grietas por corrosión bajo tensión debidas a ciclos térmicos. El material no sólo se está adelgazando, sino que está fallando de formas complejas y localizadas que los cálculos estándar a menudo pasan por alto.

Samuel: Así que no basta con elegir algo de la estantería "resistente a la corrosión". Háblenos de los puntos de fallo del mundo real que usted observa.

Lisa: Por supuesto. Tomemos un ejemplo común: un reactor de acero revestido de vidrio sufre una pequeña grieta en el vidrio. De repente, el acero subyacente queda expuesto a una mezcla de ácido clorhídrico y oxidantes a 150 ºC. Los aceros inoxidables estándar como el 316L se destruirían en horas. Pero incluso las aleaciones más exóticas, como el Hastelloy C-276, tienen límites, concretamente contra el cloro húmedo o el ácido sulfúrico caliente. Ahí es donde tocamos techo para las aleaciones metálicas pasivas y tenemos que considerar materiales realmente nobles o una protección activa.

Samuel: Y la consecuencia no es sólo una fuga. Es el veneno catalítico o la contaminación metálica que arruina un lote multimillonario de ingrediente farmacéutico activo (API).

Lisa: Exacto. La tolerancia a los iones de hierro, níquel o cromo en muchos productos químicos finos es del orden de partes por billón. Una pequeña cantidad de productos de corrosión de un componente defectuoso puede actuar como catalizador o crear impurezas tóxicas. Así que la elección del material dicta directamente la especificación de pureza de su producto y su licencia operativa.

Samuel: Esto nos lleva a nuestros dos materiales principales. Por un lado, tenemos el platino, el arquetipo de metal noble. ¿Cuándo se especifica un material como nuestro alambre de platino PT0453 y qué se está pagando realmente por él?

Lisa: El platino es su última línea de defensa en los puntos más agresivos y localizados. Piense en un termopozo o en una sonda de sensor crítica que debe sobrevivir directamente en el medio de reacción, independientemente del poder oxidante o del contenido de haluros. También es el material de electrodo preferido para producir electroquímicamente peroxidisulfatos o percloratos ultrapuros, donde cualquier otro ánodo disolvería o envenenaría el proceso. Se paga por una inercia absoluta y predecible. Pero requiere mucho capital, por lo que se utiliza estratégicamente en componentes de misión crítica.

Samuel: Así que el platino es la última barrera pasiva. Pero para grandes superficies, como todo el ánodo de una célula electrolítica, una placa de platino sólido es económicamente inviable. Así surgen los ánodos de óxido metálico mixto (MMO), como nuestro AN2166. ¿Cómo funciona esta solución de ingeniería?

Lisa: El MMO es un material tecnológicamente activo. Se trata de un sustrato de titanio -excelente en muchos medios oxidantes- recubierto con una capa patentada, similar a la cerámica, de óxidos de metales preciosos (como rutenio e iridio). Este revestimiento, de micras de grosor, transforma la superficie en un electrodo altamente conductor, catalíticamente activo e increíblemente duradero. En una célula cloroalcalina o para la síntesis electrolítica de hipoclorito sódico, permite la reacción al tiempo que resiste los ataques mucho mejor que el grafito o el dióxido de plomo. La clave está en la estabilidad cristalográfica y la adherencia del revestimiento, por lo que nuestro proceso de fabricación garantiza que no se desprenda con altas densidades de corriente.

Samuel: Así que es una forma rentable de obtener el rendimiento de los metales del grupo del platino en metros cuadrados, no sólo en milímetros cuadrados.

Lisa: Precisamente. Se obtiene el 90% del rendimiento electroquímico por un 10% del coste del material, con la ventaja añadida de la ligereza del titanio. La contrapartida es que está diseñado específicamente para el servicio anódico en electrolitos conductores; no se utilizaría como pieza estructural general.

Samuel: Para un ingeniero que se enfrenta a esta elección, ¿cuál es el árbol de decisión? ¿Platino para piezas pequeñas, críticas y pasivas; MMO para superficies grandes, activas y electroquímicas?

Lisa: Eso es lo esencial, pero añadamos una capa. Pregúntese:

1. ¿Está el componente bajo potencial anódico? En caso afirmativo, MMO es probablemente la solución optimizada.

2. ¿Cuál es el nivel de contaminación? Si es cercano a cero para ciertos metales, las opciones de platino o recubrimiento de platino se hacen necesarias, incluso a un coste mayor.

3. ¿Cuál es el modo de fallo del material actual? ¿Se trata de un adelgazamiento general (quizá funcione una aleación más gruesa) o de picaduras o grietas por tensión (que requieren un cambio de material más fundamental)?

Samuel: Y aquí es donde el valor de SAM va más allá del suministro. En el caso de nuestro alambre PT0453, no nos limitamos a suministrar una bobina. Proporcionamos análisis certificados de trazas de impurezas, porque incluso un 0,01% de hierro en ese platino podría ser el eslabón débil en una exposición a largo plazo. Para los ánodos AN2166 MMO, proporcionamos datos de pruebas de vida útil acelerada en electrolitos específicos, para que pueda modelar el programa de sustitución con confianza, no con conjeturas.

Lisa: Exacto. Recientemente hemos trabajado con un cliente en la sustitución de ánodos de grafito en una planta electrolítica de dióxido de manganeso. El grafito se desmoronaba y contaminaba el producto. Al cambiar a un ánodo MMO formulado a medida, no sólo eliminaron la contaminación, sino que redujeron el voltaje de la célula en 0,8 voltios. Se trata de un enorme ahorro de energía que amortizó la actualización del ánodo en menos de un año.

Samuel: Es un caso muy ilustrativo que muestra cómo el material adecuado transforma un coste en un ahorro. Lisa, gracias por compartir ideas tan concretas.

Lisa: Es un placer, Samuel. Se trata de pasar del mantenimiento reactivo al rendimiento predictivo.

Samuel: Para nuestros oyentes, si están diseñando o solucionando problemas de procesos en los que la química es el rey, pero el recipiente es el trono, tenemos recursos para ustedes. Para una conversación directa con especialistas como Lisa, nuestro equipo de ingeniería está dispuesto a colaborar.

Hasta la próxima en Material Talks, donde creemos que el material adecuado no es un gasto, sino el parámetro más crítico de su proceso.