Hay decenas de tecnologías prometedoras en desarrollo que pueden reducir el consumo de energía o capturar carbono en campos como la biotecnología, Ciencias de la Computación, nanotecnología, ciencia de los Materiales, y más. No todo será factible pero con un poco de financiación y apoyo, muchos podrían ayudar a resolver el gran desafío del planeta.

Una de estas soluciones está surgiendo de los nuevos enfoques de los procesos de separación industrial. En el Departamento de Ingeniería Química del MIT, El profesor Zachary Smith está trabajando en nuevas membranas poliméricas que pueden reducir en gran medida el uso de energía en las separaciones químicas. También está llevando a cabo una investigación de mayor alcance para mejorar las membranas poliméricas con estructuras organometálicas (MOF) a nanoescala.

"No solo fabricamos y analizamos materiales a partir del principio fundamental del transporte, termodinámica y reactividad, pero estamos comenzando a aprovechar ese conocimiento para crear modelos y diseñar nuevos materiales con un rendimiento de separación que nunca antes se había logrado, ", Dice Smith." Es emocionante pasar de la escala de laboratorio a pensar en el gran proceso, y lo que marcará la diferencia en la sociedad ".

Smith suele consultar con expertos de la industria que comparten conocimientos sobre tecnologías de separación. Con el acuerdo climático de París de 2015 manteniéndose unido hasta ahora, a pesar de la retirada de EE. UU., las industrias química y petroquímica en las que Smith se concentra principalmente están comenzando a sentir la presión de reducir las emisiones. La industria también busca reducir costos. Las torres de calefacción y refrigeración utilizadas para las separaciones requieren una energía considerable, y son costosos de construir y mantener.

Los procesos industriales utilizados en las industrias química y petroquímica consumen de un cuarto a un tercio de la energía total en los EE. UU. y las separaciones representan aproximadamente la mitad de eso, dice Smith. Aproximadamente la mitad del consumo de energía de las separaciones proviene de la destilación, un proceso que requiere calor extremo, o en el caso de destilación criogénica, enfriamiento extremo aún más hambriento de energía.

"Se necesita mucha energía para hervir y volver a hervir mezclas, y es aún más ineficiente porque requiere cambios de fase, "dice Smith." La tecnología de separación de membranas podría evitar esos cambios de fase y utilizar mucha menos energía. Los polímeros se pueden fabricar sin defectos, y puedes convertirlos en selectivos Películas delgadas de 100 nanómetros de espesor que podrían cubrir un campo de fútbol ".

Muchos obstáculos que se interponen en el camino sin embargo. Las separaciones de membranas se utilizan solo en una pequeña fracción de los procesos industriales de separación de gases porque las membranas poliméricas "a menudo son ineficaces, y no puede igualar el rendimiento de la destilación, "dice Smith." Las membranas actuales no proporcionan suficiente rendimiento, llamado flujo, para aplicaciones de alto volumen, ya menudo son química y físicamente inestables cuando se utilizan flujos de alimentación más agresivos ".

Muchos de estos problemas de rendimiento se deben al hecho de que los polímeros tienden a ser amorfos, o desordenado entrópicamente. "Los polímeros son fáciles de procesar y dar forma a geometrías útiles, pero el espacio donde las moléculas pueden moverse a través de las membranas poliméricas cambia con el tiempo, ", dice Smith." Es difícil controlar su poroso volumen libre interno ".

Las separaciones más exigentes requieren un tamaño selectivo entre moléculas de solo una fracción de angstrom. Para abordar este desafío, Smith Lab está intentando agregar características a nanoescala y funcionalidad química a los polímeros para lograr separaciones de grano más fino. Los nuevos materiales pueden "absorber un tipo de molécula y rechazar otro, "dice Smith.

Para crear membranas poliméricas con mayor rendimiento y selectividad, El equipo de Smith está tomando nuevos polímeros desarrollados en los laboratorios del MIT que pueden reaccionar a la estructura ordenada de la plantilla en desordenada tradicional, polímeros amorfos. Como él explica, "Luego los tratamos post-sintéticamente de manera que se formen una plantilla en algunos bolsillos de tamaño nanométrico que crean vías de difusión".

Si bien el laboratorio Smith ha tenido éxito con muchas de estas técnicas, Lograr el flujo necesario para aplicaciones de gran volumen sigue siendo un desafío. El problema se complica por el hecho de que existen más de 200 tipos diferentes de procesos de separación por destilación utilizados por la industria química y petroquímica. Sin embargo, esto también puede ser una ventaja cuando se intenta introducir una nueva tecnología:los investigadores pueden buscar un nicho en lugar de intentar cambiar la industria de la noche a la mañana.

"Buscamos objetivos en los que tendríamos el mayor impacto, "dice Smith." Nuestra tecnología de membranas tiene la ventaja de ofrecer una huella mucho más pequeña, para que pueda utilizarlos en ubicaciones remotas o en plataformas petrolíferas en alta mar ".

Debido a su pequeño tamaño y peso, ya se están utilizando membranas en los aviones para separar el nitrógeno del aire. Luego, el nitrógeno se usa para recubrir el tanque de combustible para evitar explosiones como la que derribó el vuelo 800 de TWA en 1996. También se han usado membranas para la eliminación de dióxido de carbono en pozos de gas natural remotos. y han encontrado un nicho en algunas aplicaciones petroquímicas más importantes, como la eliminación de hidrógeno.

Smith tiene como objetivo expandirse a aplicaciones que normalmente utilizan torres de destilación criogénica, que requieren una inmensa energía para producir un frío extremo. En la industria petroquímica, estos incluyen etileno-etano, nitrógeno-metano, y separaciones de aire. Muchos productos de consumo de plástico están hechos de etileno, por lo que reducir los costos de energía en la fabricación podría generar enormes beneficios.

"Con destilación criogénica, no solo debes separar moléculas de tamaño similar, sino también en propiedades termodinámicas, "dice Smith." Las columnas de destilación pueden tener 200 o 300 pies de altura con tasas de flujo muy altas, por lo que los trenes de separación pueden costar hasta miles de millones de dólares. La energía necesaria para hacer funcionar el vacío y operar los sistemas a -120 grados Celsius es enorme ".

Otras aplicaciones potenciales de las membranas de polímero incluyen "encontrar otras formas de eliminar el CO2 del nitrógeno o el metano o separar diferentes tipos de parafinas o materias primas químicas". "dice Smith.

La captura y secuestro de carbono también está en el radar. "Si hubiera un factor económico para capturar CO2 en la actualidad, la captura de carbono sería la mayor aplicación por volumen para membranas por un factor de 10, ", dice." Podríamos hacer un material similar a una esponja que absorbería el CO2 y lo separaría de manera eficiente para que pudiera presurizarlo y almacenarlo bajo tierra ".

Un desafío al usar membranas poliméricas en separaciones de gases es que los polímeros están hechos típicamente de hidrocarburos. "Si tiene el mismo tipo de componentes de hidrocarburos en su polímero que tiene en la corriente de alimentación que está tratando de separar, el polímero puede hincharse o disolverse o perder su capacidad de separación, ", dice Smith." Estamos buscando introducir componentes no basados ​​en hidrocarburos, como el flúor, en polímeros para que la membrana interactúe mejor con las mezclas a base de hidrocarburos ".

Smith también está experimentando con la adición de MOF a los polímeros. MOF, que se forman al unir iones metálicos o grupos metálicos con un enlazador orgánico, puede que no solo resuelva el problema de los hidrocarburos, pero también el problema del desorden entrópico.

"Los MOF te permiten formar uno, dos, o estructuras cristalinas tridimensionales que son permanentemente porosas, "dice Smith." Una cucharadita de MOF tiene una superficie interna de un campo de fútbol, por lo que puede pensar en funcionalizar las superficies internas de los MOF para unirse o rechazar selectivamente ciertas moléculas. También puede definir la forma y la geometría de los poros para permitir que una molécula pase mientras que otra es rechazada ".

A diferencia de los polímeros, Las estructuras MOF no suelen cambiar de forma, por lo que los poros son mucho más persistentes con el tiempo. Además, "no se degradan como ciertos polímeros a través de un proceso conocido como envejecimiento, "dice Smith." El desafío es cómo incorporar materiales cristalinos en un proceso en el que se pueden hacer películas delgadas. Un enfoque que estamos adoptando es dispersar MOF en polímeros como nanopartículas. Esto le permitiría aprovechar la eficiencia y la productividad de los MOF mientras se mantiene la procesabilidad del polímero ".

Una ventaja potencial de introducir membranas poliméricas mejoradas con MOF es la intensificación del proceso:agrupar diferentes procesos catalíticos o de separación en un solo paso para lograr mayores eficiencias. "Puede pensar en combinar un tipo de material MOF que podría separar una mezcla de gases y permitir que la mezcla experimente una reacción catalítica al mismo tiempo, "dice Smith." Algunos MOF también pueden actuar como agentes de reticulación. En lugar de utilizar polímeros directamente entrecruzados, puede tener enlaces entre partículas MOF dispersas en una matriz de polímero, lo que crearía más estabilidad para las separaciones ".

Debido a su naturaleza porosa, Los MOF se pueden utilizar potencialmente para "capturar hidrógeno, metano, o incluso en algunos casos CO2, ", dice Smith." Puede obtener una absorción muy alta si crea el tipo correcto de estructura similar a una esponja. Es un desafío, sin embargo, para encontrar materiales que se unan selectivamente a uno de estos componentes en una capacidad muy alta ".

Una aplicación similar para los MOF sería almacenar hidrógeno o gas natural para alimentar un automóvil. "Usar un material poroso en su tanque de combustible le permitiría contener más hidrógeno o metano, "dice Smith.

Smith advierte que la investigación de MOF podría llevar décadas antes de que se materialice. La investigación de polímeros de su laboratorio, sin embargo, está mucho más adelante, con soluciones comerciales esperadas en los próximos cinco a 10 años.

"Podría ser un verdadero cambio de juego, " él dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.