Disolventes en la Industria Química/Disulfuro de carbono

El disulfuro de carbono (CS₂) puro es un líquido incoloro volátil a temperatura ambiente, con un olor dulce agradable. Sin embargo, el disulfuro de carbono impuro que se suele usar en la mayoría de los procesos industriales es un líquido amarillento que tiene un olor desagradable. Este compuesto suele usarse frecuentemente como molécula ladrillo para síntesis orgánica, y como disolvente apolar.

Disulfuro de carbono Estructura molecular Estructura en 3D Caracterísitcas Fórmula molecular CS2 Estructura química S=C=S Nº CAS 75-15-0 Nº CE 006-003-00-3 Peso molecular 76.14 Propiedades físicas Punto de fusión -111.6 ºC Punto de ebullición 46.5ºC Densidad de vapor 2,64 (aire =1) Presión de vapor 260 mmHg (20 ºC) Punto de inflamación -30ºC c.c. T. de autoignición 100ºC Propiedades químicas Solubilidad en agua 2300 mg/L (22ºC) Log KOW 2.16 Peligrosidad Azul: efecto en la salud. Rojo: inflamabilidad. Amarillo: Reactividad. Blanco: otros Tóxico Inflamable

Síntesis

Se puede encontrar CS₂ en la naturaleza de manera natural proveniente de gases liberados a la atmósfera, por ejemplo, en erupciones volcánicas. Comercialmente, se encuentra como una mezcla azeotrópica con agua que contiene 97.2% de CS₂.

El disulfuro de carbono se produce comercialmente mediante la reacción de azufre y carbón o metano. El CS₂ fue fabricado por primera vez, en torno a 1880. Hasta aproximadamente 1950, el método de producción a escala industrial era calentando carbón a 750 – 900ºC en presencia de azufre vaporizado. Sin embargo, se siguió investigando otros métodos de producción y en 1965 el método de la quema de carbón quedó en gran parte reemplazado por la reacción del azufre con gas natural que contiene hidrocarburos, tales como metano, etano o etileno. Ésta reacción se lleva a cabo a 550-650ºC y a una presión de 400-700 kPa con un catalizador de sílice o alúmina. En lugares en los que el metano o gas natural no se encuentran disponible, o cuando se trata de una planta pequeña, el proceso con carbón todavía se utiliza.

2CH₄ + S₈ → 2CS₂ + 4H₂S

Peligrosidad

El disulfuro de carbono presenta un índice alto de peligrosidad. Es una sustancia altamente inflamable. Muchas reacciones pueden producir incendio o explosión, además en caso de incendio se desprenden humos tóxicos e irritantes. Las mezclase vapor/aire son explosivas, los límites de explosión son 1,3-50%.

Efectos tóxicos

Esta sustancia puede absorberse tanto por inhalación, absorción cutánea e ingestión. Puede provocar vértigo, dolor de cabeza, náuseas, jadeo, vómitos, debilidad, irritabilidad, alucinaciones. En contacto con la piel puede provocar enrojecimiento. La cantidad de disulfuro de carbono que se encuentra en el aire de manera natural no supone un peligro para la salud ni el medio ambiente. Los trabajadores de las plantas que usan el disulfuro de carbono en sus procesos de producción son los más expuestos a esta sustancia. La principal ruta de exposición es el aire y la secundaria, la piel. Aproximadamente del 10 al 30% del disulfuro de carbono que el cuerpo absorbe sale por los pulmones y menos del 1% por la orina. El resto del disulfuro de carbono absorbido se metaboliza en el cuerpo y sale por la orina en forma de otra sustancia química. También se puede excretar el CS₂ en pequeñas cantidades por el sudor y la saliva. A niveles muy altos, 10000ppm, el disulfuro de carbono puede poner en peligro la vida de las personas debido a las consecuencias que provoca en el sistema nervioso. Estudios realizados en animales muestran que, a altos niveles, el CS₂ puede afectar el corazón. Los trabajadores no deberían estar expuestos a más de 20 ppm para una jornada laboral de 8 horas diarias durante 5 días a la semana (estudio según la OSHA, Administración de Seguridad y Salud Ocupacionales). Estudios realizados en animales indican que el disulfuro de carbono puede afectar las funciones normales del cerebro, el hígado y el corazón. La EPA indica que ingerir o absorber diariamente una cantidad equivalente a 0.1 mg de disulfuro de carbono por kg de peso corporal probablemente no cause efectos adversos significativos a la salud.

Uso en la industria

Varias industrias usan el disulfuro de carbono como materia prima para fabricar rayón, celofán o tetracloruro de carbono. En la actualidad, la industria que más utiliza esta sustancia es del rayón viscosa. El disulfuro de carbono también se utiliza para disolver el caucho para producir llantas y como materia prima para producir pesticidas.

El disulfuro de carbono ha sido un químico industrial importante desde los años ochenta debido a sus muchas propiedades útiles, incluyendo su capacidad de solubilizar grasas, cauchos, fósforo, azufre y otros elementos. Las propiedades de disolver del disulfuro de carbono lo hacen indispensable en la preparación de grasas, lacas y alcanfor, en la industria refinadora de petróleo y en parafinas. Además, lo han hecho altamente apropiado para una gran variedad de aplicaciones industriales incluyendo: vulcanización y manufactura de cauchos y accesorios de caucho; producción de resinas, xantatos, tiocianatos, adhesivos para madera y agentes de flotación; inhibidor en la polimerización de cloruro de vinilo; en la conversión y procesamiento de hidrocarburos; purificación de petróleo; brillo de metales preciosos en galvanoplastia; como un agente para incrementar la resistencia a la corrosión y el desgaste de metales; removedor de óxido de metales y para la remoción y recuperación de metales y otros elementos de aguas de desecho y otros medios.

Asia, incluyendo Japón, representaron alrededor del 72% de la producción mundial de CS₂ y casi el 75% del consumo mundial de disulfuro de carbono. China es el jugador dominante mundial en esta industria, con alrededor del 49% del consumo mundial, seguido por la India (13%). En total, el 98% del consumo mundial de disulfuro de carbono correspondió a Asia, Europa y América.

Consumo de CS2 en 2010

Impacto económico

La mayor parte de disulfuro de carbono que se utilizaba hasta 1980, era para la obtención de tetracloruro de carbono. Sin embargo, debido al Protocolo de Montreal en 1978, la demanda de disulfuro de carbono en la producción de tetracloruro de carbono se redujo considerablemente. Otros usos muy importantes del disulfuro de carbono, son sus usos para aplicaciones agrícolas. En 2007, el 44% de la demanda de disulfuro de carbono se utilizaba para la fabricación de productos agrícolas. En concreto, una de las áreas de consumo más grandes de los productos químicos agrícolas es en la fabricación de ditiocarbamatos, que se utiliza como fungicidas, biocidas y fumigantes.

La fabricación de fibras de rayón y caucho también es un sector importante que representa aproximadamente el 24% de la demanda. El rayón se utiliza en prendas de vestir, artículos del hogar, telas, tejidos y en diversas aplicaciones industriales. Si bien es verdad, en los últimos años la demanda de rayón ha comenzado a disminuir, entre 1994 y 2004 el consumo de CS₂ para la fabricación de rayón se redujo en casi un 9%/año y más recientemente un 5%/año. Esta disminución se debe a la utilización de mezclas de fibras con el fin de reducir los costos. La industria del caucho requiere el CS₂ para la fabricación de aceleradores de la vulcanización. El mercado de aceleradores de vulcanización es paralela a la de los neumáticos, y se prevé que continúe creciendo en torno al 1.5%/año. El precio del CS₂ ha ido aumentando con el paso de los años como se puede ver en la gráfica de abajo. Son datos del precio de CS₂ en Estados Unidos. El precio de CS₂ en pequeña cantidad está en torno a 60€/l.

Consumo de CS2 en EEUU

Impacto ambiental

Como ya se ha comentado, en la naturaleza se encuentran pequeñas cantidades de disulfuro de carbono en los gases liberados a la superficie terrestre. Algunos microorganismos presentes en el suelo, en lagos o pantanos pueden liberarlo también. El CS₂ se evapora rápidamente cuando es liberado al medio ambiente. Es difícil juzgar la cantidad de disulfuro de carbono que es liberado al aire mediante procesos artificiales debido a que el disulfuro de carbono se encuentra en la naturaleza en cantidades muy pequeñas. Una vez liberado al medio ambiente, el disulfuro de carbono se disuelve rápidamente en el aire. Cuando está en el aire, permanece cerca del suelo debido a que es más pesado que el aire circundante. Se estima que se degrada totalmente en unos 12 días. Debido a que esta sustancia química no se adhiere fuertemente a los suelos, la cantidad que no se evapora puede desplazarse fácilmente por los suelos hasta llegar a las aguas subterráneas.

Sustitución por otros disolventes

El disulfuro de carbono es ampliamente utilizado en determinadas aplicaciones por su capacidad para disolver determinadas sustancias como resinas, gomas, fósforo y rayón. Sin embargo, el disulfuro de carbono es uno de los disolventes más peligrosos. Cuenta con un amplio rango inflamable, y una temperatura de autoignición de 90ºC, siendo capaz de incendiarse en contacto con superficies calientes o con agua caliente. Además, la exposición crónica a vapores de disulfuro de carbono pueden conducir a diversas enfermedades que afectan al cerebro, corazón, riñón, hígado y ojos. Por este motivo, se están investigando disolventes que puedan sustituir al CS₂ en determinadas aplicaciones. Por ejemplo, se ha visto que para la extracción de alcanos un disolvente que también presenta buen rendimiento es el diétil éter.