El oxígeno: del descubrimiento antiguo a la potencia industrial moderna

Antecedentes

El oxígeno (O₂) es un elemento fundamental que sostiene la vida en la Tierra e impulsa innumerables procesos industriales. Es el componente más abundante del aire —aproximadamente 21 %— y constituye aproximadamente dos tercios del cuerpo humano en peso. Históricamente, el oxígeno se aisló en 1774 por Joseph Priestley, quien calentó óxido mercúrico bajo la luz solar, y su importancia fue confirmada luego por Antoine Lavoisier, quien lo nombró del griego "formador de ácido".

Desde finales del siglo XIX, la tecnología de separación de aire ha evolucionado dramáticamente. En 1895, Karl von Linde y William Hampson desarrollaron independientemente la destilación criogénica, permitiendo la producción a gran escala de gases de alta pureza. Hoy, solo EE. UU. produjo más de 470 mil millones de pies cúbicos (13.400 millones de m³) de oxígeno en 1991, convirtiéndolo en el segundo gas industrial más grande del mundo.

La versatilidad del oxígeno es evidente en sectores: siderurgia, síntesis química (amoniaco, alcoholes, plásticos), soldadura, terapias médicas, propulsión de cohetes y más. Cuando se enfría por debajo de –183 °C, el oxígeno líquido se convierte en un potente oxidante, esencial para cohetes de combustible líquido.

Materias primas

El oxígeno comercial se extrae principalmente del aire atmosférico mediante dos métodos principales:

• Destilación criogénica —compresión, enfriamiento y fraccionamiento del aire para separar oxígeno, nitrógeno y argón.
• Adsorción por oscilación de vacío (VSA) —uso de adsorbentes zeolíticos para capturar selectivamente nitrógeno, dejando oxígeno al 90-93 % de pureza. VSA es ideal para aplicaciones de menor escala o in situ.

Fuentes adicionales incluyen la producción fotosintética por plantas y la electrólisis del agua, esta última produciendo gases muy puros pero con alto coste energético, apta solo para aplicaciones de nicho como soporte vital en submarinos o naves espaciales.

El proceso de fabricación

A continuación, una visión simplificada de la vía de destilación criogénica, que produce oxígeno de pureza 99 %+.

1. Pretratamiento

• El aire se comprime a ~650 kPa (94 psi) y pasa por un postenfriador refrigerado por agua para condensar humedad.
• Posteriormente, un adsorber de tamiz molecular elimina CO₂, hidrocarburos pesados y vapor de agua residual. Adsorbers paralelos permiten operación continua mientras los otros se regeneran.

2. Separación

• El aire pretratado entra en una columna de fraccionamiento de alta presión donde se enfría por un bucle criogénico. El oxígeno, con el punto de ebullición más alto (–183 °C), se licúa en la base de la columna.
• En la parte superior, nitrógeno y argón —que hierven a –196 °C y –186 °C respectivamente— se extraen como vapor.
• La corriente de oxígeno líquido crudo se subenfría y se dirige a una columna de baja presión. Aquí, el nitrógeno y argón restantes se eliminan, produciendo oxígeno de 99,5-99,8 % pureza.
• La oxidación catalítica opcional elimina hidrocarburos traza, produciendo CO₂ y H₂O que se capturan y ventilan.

3. Distribución

• El oxígeno gaseoso se canaliza a ~500 psi por tuberías de 4-12 pulgadas a consumidores locales, cubriendo cientos de millas en regiones industriales densas.
• El oxígeno líquido se almacena en tanques de doble capa aislados, usando vacío y aislamiento semisólido para minimizar evaporación. Como el oxígeno líquido tiene alto punto de ebullición, se envía típicamente dentro de 800 km (500 millas).

Control de calidad

La Asociación de Gases Comprimidos (CGA) define grados de pureza estrictos. Para gas: grados Tipo I desde A (99,0 %) a F (99,995 %). Para líquido: grados Tipo II usan la misma letra pero con límites de impurezas diferentes. Tipo I B/C y Tipo II C (99,5 %) son los más comunes en siderurgia y producción química.

La monitorización continua mediante sensores automatizados y controles computarizados asegura salida consistente. Muestreo periódico valida que cada lote cumple estándares CGA.

El futuro

La exploración espacial está remodelando la demanda de oxígeno. El satélite Lunar Prospector (1998) allanó el camino para la utilización de recursos in situ: extraer agua del regolito, electrolizarla para obtener hidrógeno (combustible) y oxígeno (soporte vital). Hornos solares también podrían liberar oxígeno de minerales lunares, permitiendo colonias lunares autosostenibles.