El gas natural y el biogás se han convertido en fuentes de energía cada vez más populares en todo el mundo en los últimos años. gracias a su proceso de combustión más limpio y eficiente en comparación con el carbón y el petróleo.

Sin embargo, la presencia de contaminantes como el dióxido de carbono dentro del gas significa que primero debe purificarse antes de que se pueda quemar como combustible.

Los procesos tradicionales para purificar el gas natural normalmente implican el uso de disolventes tóxicos y consumen mucha energía.

Como resultado, Los investigadores han estado investigando el uso de membranas como una forma de eliminar las impurezas del gas natural de una manera más rentable y respetuosa con el medio ambiente. pero encontrar un material polimérico que pueda separar los gases de forma rápida y eficaz ha demostrado ser un desafío hasta ahora.

Ahora, en un artículo publicado hoy en la revista Materiales avanzados , Los investigadores del MIT describen un nuevo tipo de membrana de polímero que puede mejorar drásticamente la eficiencia de la purificación de gas natural al tiempo que reduce su impacto ambiental.

La membrana que ha sido diseñado por un equipo de investigación interdisciplinario en el MIT, es capaz de procesar gas natural mucho más rápido que los materiales convencionales, según el autor principal Yuan He, estudiante de posgrado en el Departamento de Química del MIT.

"Nuestro diseño puede procesar mucho más gas natural, eliminando mucho más dióxido de carbono, en menos tiempo, " Él dice.

Las membranas existentes se fabrican típicamente utilizando hebras lineales de polímero, dice Zachary Smith, el profesor de desarrollo profesional Joseph R. Mares de ingeniería química en el MIT, quien dirigió este esfuerzo de investigación.

"Estos son polímeros de cadena larga, que parecen espaguetis cocidos a nivel molecular, ", dice." Puedes hacer que estos fideos de espagueti cocidos sean más rígidos, y al hacerlo, crea espacios entre los fideos que cambian la estructura de empaque y el espacio a través del cual pueden penetrar las moléculas ".

Sin embargo, tales materiales no son lo suficientemente porosos para permitir que las moléculas de dióxido de carbono penetren a través de ellos a una velocidad lo suficientemente rápida como para competir con los procesos de purificación existentes.

En lugar de utilizar largas cadenas de polímeros, los investigadores han diseñado membranas en las que las hebras parecen cepillos para el cabello, con pequeñas cerdas en cada hebra. Estas cerdas permiten que los polímeros separen los gases de forma mucho más eficaz.

"Tenemos una nueva estrategia de diseño, donde podemos afinar las cerdas del cepillo, lo que nos permite afinar de forma precisa y sistemática el material, "Dice Smith." Al hacerlo, podemos crear espaciamientos subnanométricos precisos, y habilitar los tipos de interacciones que necesitamos, para crear membranas selectivas y altamente permeables ".

En experimentos, la membrana pudo soportar presiones de alimentación de dióxido de carbono sin precedentes de hasta 51 bar sin sufrir plastificación, los investigadores informan. Esto se compara con alrededor de 34 bar para los materiales de mejor rendimiento. La membrana también es 2, 000 -7, 000 veces más permeable que las membranas tradicionales, según el equipo.

Dado que las cadenas laterales, o "cerdas, "se puede prediseñar antes de polimerizar, es mucho más fácil incorporar una variedad de funciones en el polímero, según Francesco Benedetti, estudiante graduado visitante en el laboratorio de investigación de Smith en el Departamento de Ingeniería Química del MIT.

La investigación también incluyó a Timothy Swager, el profesor de química John D. MacArthur, y Troy Van Voorhis, el profesor de química Haslam y Dewey, Los estudiantes graduados del MIT Hong-Zhou Ye y Sharon Lin, M. Grazia DeAngelis en la Universidad de Bolonia, y Chao Liu y Yanchuan Zhao en la Academia China de Ciencias.

"El rendimiento del material se puede ajustar haciendo cambios muy sutiles en las cadenas laterales, o pinceles, que prediseñamos, "Dice Benedetti." Eso es muy importante, porque significa que podemos orientarnos a aplicaciones muy diferentes, simplemente haciendo cambios muy sutiles ".

Y lo que es más, Los investigadores han descubierto que los polímeros de sus cepillos para el cabello son más capaces de soportar condiciones que harían fallar otras membranas.

En membranas existentes, las hebras de polímero de cadena larga se superponen entre sí, pegándose entre sí para formar películas de estado sólido. Pero con el tiempo, las hebras de polímero se deslizan unas sobre otras, creando una inestabilidad física y química.

En el nuevo diseño de membrana, a diferencia de, las cerdas de polímero están todas conectadas por una hebra de cadena larga, que actúa como columna vertebral. Como resultado, las cerdas individuales no pueden moverse, creando un material de membrana más estable.

Esta estabilidad le da al material una resistencia sin precedentes a un proceso conocido como plastificación, en el que los polímeros se hinchan en presencia de materias primas agresivas como el dióxido de carbono, Smith dice.

"Hemos visto una estabilidad que nunca antes habíamos visto en los polímeros tradicionales, " él dice.

El uso de membranas de polímero para la separación de gases ofrece una alta eficiencia energética, impacto ambiental mínimo, y funcionamiento sencillo y continuo, pero los materiales comerciales existentes tienen baja permeabilidad y selectividad moderada, haciéndolos menos competitivos que otros procesos más intensivos en energía, dice Yan Xia, profesor asistente de química en la Universidad de Stanford, que no participó en la investigación.

"Las membranas de estos polímeros exhiben una permeabilidad muy alta para varios gases de importancia industrial, "Xia dice". Además, estos polímeros exhiben poca plastificación no deseada a medida que aumenta la presión del gas, a pesar de su columna vertebral relativamente flexible, haciéndolos materiales deseados para las separaciones relacionadas con el dióxido de carbono ".

Los investigadores ahora planean llevar a cabo un estudio sistemático de la química y la estructura de los cepillos, para investigar cómo esto afecta su desempeño, Él dice.

"Buscamos la química y la estructura más eficaces para ayudar al proceso de separación".

El equipo también espera investigar el uso de sus diseños de membranas en otras aplicaciones, incluida la captura y el almacenamiento de carbono, e incluso en la separación de líquidos.