Midiendo el contenido de carbono de origen biológico de los combustibles conforme al método ASTM D6866

Biobased
El método ASTM D6866 es el método de prueba estándar desarrollado por ASTM International (anteriormente conocida como la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales) para determinar el contenido de carbono de origen biológico/biogénico de muestras sólidas, líquidas y gaseosas utilizando análisis de radiocarbono. Dado que puede usarse para analizar cualquier tipo de muestra, se le reconoce como un método analítico muy bueno para diferentes tipos de biocombustible.

El método de la datación por radiocarbono empezó como una herramienta en arqueología y otros estudios de materiales fósiles, pero ahora ha encontrado otras aplicaciones, particularmente para la cuantificación de las fracciones biogénicas en materiales de origen biológico.

El estándar ASTM D6866 fue publicado por primera vez en 2004. Varias versiones han sido publicadas desde entonces: ASTM D6866-04, ASTM D6866-04a, ASTM D6866-05, ASTM D6866-06, ASTM D6866-06a, ASTM D6866-08, ASTM D6866-10, ASTM D6866-11 y ASTM D6866-12. El método ASTM D6866-16 es la versión activa del estándar al mes de junio de 2016.

Para ilustrar cómo se aplica el método ASTM D6866 al análisis de biocombustibles, podemos utilizar el biodiesel como ejemplo (explicación a continuación).

Resultados e interpretación del análisis ASTM D6866

La aplicación del método ASTM D6866 para derivar el contenido de biodiesel en una mezcla parte de los mismos conceptos que la datación por radiocarbono, pero sin el uso de ecuaciones de edad. Se realiza derivando una relación de la cantidad de radiocarbono (carbono 14) en una muestra desconocida con respecto a la encontrada en un estándar de referencia moderno. La relación se expresa como porcentaje con las unidades “pMC” (porcentaje de carbono moderno). Si el material sometido a análisis es una mezcla de radiocarbono contemporáneo y carbono fósil (el cual no contiene radiocarbono), entonces el valor pMC obtenido se correlaciona directamente con la cantidad de biodiesel presente en la muestra.

La combinación de carbono fósil y carbono contemporáneo en un material resultará en la disminución del contenido de pMC contemporáneo. Suponiendo que 105 pMC representa materiales de biodiesel contemporáneos y 0 pMC representa derivados del petróleo, el valor pMC medido en el material reflejará las proporciones de los dos tipos de componentes. Un material derivado al 100% de semillas de soja contemporáneas arrojará un registro de radiocarbono cercano a los 105 pMC. Si el material fue diluido con 50% de derivados del petróleo arrojará un registro de radiocarbono de aproximadamente 53 pMC.

Los resultados del análisis conforme al método ASTM D6866 involucran materiales proporcionados sin ninguna información de la fuente. Esta situación es altamente probable en un escenario real. El Valor Promedio citado en este informe comprende un rango absoluto de 6% (más y menos 3% a cada lado del Resultado Promedio de Biodiesel) para tomar en cuenta las variaciones en los registros de radiocarbono del componente final (una aproximación conservadora). Se presume que todos los materiales son contemporáneos o de origen fósil, y que el resultado deseado es la cantidad del componente de biodiesel “presente” en el material y NO la cantidad de material de biodiesel “usado” en el proceso de fabricación. Se pueden interpretar los porcentajes citados como valores máximos (la interpretación más conservadora).

Página oficial del estándar ASTM D6866

Datación por radiocarbono

La datación por radiocarbono, desarrollada por primera vez en 1947, depende de la producción continua de un isótopo radioactivo, el carbono 14 o radiocarbono, por los rayos cósmicos en la atmósfera superior. El isótopo se combina con el oxígeno para formar dióxido de carbono, el cual se filtra hacia la biósfera y es absorbido por las plantas, de las cuales se alimentan los animales.

El carbono 14 se pierde continuamente por el decaimiento radioactivo, pero esto es compensado por la producción continua de los rayos cósmicos. Todos los seres vivos, plantas y animales, tendrán la misma concentración de carbono 14. Sin embargo, cuando las plantas o animales mueren, sus niveles de carbono 14 ya no son reemplazados por la atmósfera. El contenido de este isótopo en los restos o fósiles mortales disminuye gradualmente hasta un punto en el que no queda nada, lo cual toma aproximadamente cincuenta mil años.

Los procedimientos de datación por radiocarbono miden en forma precisa el contenido de carbono 14 en varios materiales, y a partir de ello, se puede calcular el tiempo en que la planta o el animal murió. El sistema de datación es una herramienta indispensable en arqueología y en muchos estudios de geología y otras ciencias de la Tierra.

La datación por radiocarbono es una rama de la química y física nuclear. Debido a que las cantidades de carbono 14 son muy pequeñas, se requiere de las técnicas más sensibles para su medición. Actualmente se utilizan dos procedimientos: radiometría y espectrometría de masas con aceleradores.

La datación radiométrica frente a la datación por AMS

La datación radiométrica mide la radiación producida por la desintegración del carbono 14, mientras que la espectrometría de masas con aceleradores mide directamente la concentración de carbono 14 en una muestra. Ambas técnicas conllevan una extensa instrumentación, así como complicados procesos químicos en la preparación de las muestras antes de la medición.

Tanto para las técnicas de radiometría como de espectrometría de masas con aceleradores, los pretratamientos de las muestras pueden ser importantes. Estos procedimientos pueden variar ampliamente, dependiendo del tipo de material sometido a medición. Los pasos a seguir consisten en varias operaciones físicas y químicas para eliminar materiales externos. Después de ello, los tratamientos para las dos técnicas difieren, pero ambas involucran operaciones de alto vacío.

Para medición radiométrica, las muestras se queman en un sistema de vacío especializado para producir dióxido de carbono, el cual se combina posteriormente con litio fundido para producir carburo de litio. Después de enfriarse, el carburo de litio se hace reaccionar con agua para producir acetileno. Este gas es purificado y convertido finalmente a benceno usando un catalizador de silicio y alúmina. Todos estos procedimientos se llevan a cabo en sistemas de vacío de vidrio. El benceno, que contiene 92 por ciento de carbono, es mezclado con químicos de centelleo y colocado en un contador de centelleo líquido para la detección de radiación. En promedio, la muestra permanecerá en un contador durante dos días a fin de acumular las cuentas suficientes para generar estadísticas razonables. Tanto estándares contemporáneos como materiales de referencia se miden subsecuentemente en los mismos contadores.

Las muestras para espectrometría de masas con aceleradores se queman para generar dióxido de carbono, el cual es posteriormente purificado. El dióxido de carbono se hace reaccionar con hidrógeno para formar grafito en una línea de vacío de vidrio especializada. El grafito, 100 por ciento carbono, es puesto en soportes de aluminio y colocado en el acelerador de partículas para su medición. El análisis toma cerca de treinta minutos. Como en la técnica de radiometría, muestras modernas y de referencia se miden posteriormente de la misma manera.

Adicionalmente, en todas las muestras se analiza el isótopo estable, el carbono 13. Esto es esencial para ajustar los valores de carbono 14 medidos. La medición del carbono 13 es una parte fundamental de la datación por radiocarbono, aunque no es adecuado para determinar en forma precisa el contenido de material renovable y fósil en las mezclas.