La industria petrolera reconoce la importancia del paraxileno, dados sus múltiples usos en productos cotidianos, desde botellas plásticas de refresco hasta fibra de poliéster.

El desafío es que los xilenos viajan de tres en tres y son prácticamente idénticos, lo que hace que sea extremadamente difícil separar y purificar de manera eficiente el para-xileno de sus hermanos menos utilizados, como el orto-xileno. El tamaño de estas moléculas difiere en una décima parte de un nanómetro. Sin embargo, las membranas con poros diminutos diseñados para diferenciar estas moléculas pueden permitir potencialmente esta importante separación.

Sobre la base de la investigación a largo plazo con ExxonMobil, Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han descubierto nuevos conocimientos sobre la fabricación de membranas de carbono que tienen el potencial de generar ahorros de costos significativos una vez que la solución para la separación de aislamiento de xileno se escala para uso industrial.

Los hallazgos fueron informados en el 6 de septiembre de 2021 edición de la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

El trabajo se centra en "tamices moleculares a base de carbono, "hecho calentando capas delgadas de materiales de tal manera que expulsen todos los átomos que no sean el carbono, resultando en una sustancia similar al carbón que tiene agujeros del tamaño de una molécula. En 2016, investigadores de Georgia Tech y Exxon Mobil demostraron por primera vez que una nueva membrana de tamiz molecular a base de carbono podría separar con éxito las moléculas de xileno y extraer el para-xileno súper útil del paquete.

Ahora, Georgia Tech ha avanzado en este trabajo, idear barreras de carbono mejoradas que permitan que el p-xileno más delgado se deslice más rápidamente, mientras rechaza las moléculas más anchas. En tono rimbombante, el equipo descubrió una poderosa relación entre la química de enlace de los carbonos y la movilidad de los xilenos a través de las membranas de carbono.

El rendimiento de las membranas de carbono, si se realiza a escala industrial, podría reducir significativamente los costos de energía en comparación con los procesos de refinación, como el método de cristalización estándar o el método basado en adsorción. El primer enfoque implica congelar las moléculas de xileno en las que solo el para-xileno forma cristales, haciendo que sea fácil de aislar, pero que requiere una inversión energética sustancial. El último enfoque reduce el consumo de energía en comparación con la cristalización, pero requiere equipos costosos y complejos para operar. El problema con las membranas, según los investigadores de Georgia Tech, si el enfoque solo ha funcionado bien en el entorno de laboratorio, no en un entorno industrial.

"Hemos creado materiales más estables cambiando el precursor de polímero que usamos. Luego, cambiando la forma en que transformamos el polímero en carbono, hemos hecho que las membranas sean más productivas, "dijo Ryan Lively, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech y autor correspondiente del artículo.

¿Cuánto más productivo? El equipo ha demostrado que los nuevos materiales pueden conducir a sistemas de purificación que se estima que tienen un costo de "tres a seis veces menor que otros métodos de vanguardia". "Dijo Lively.

Lively estima que la separación y la purificación representan aproximadamente la mitad de la energía consumida en la producción de combustibles y productos químicos básicos. Globalmente la cantidad de energía utilizada en los procesos de separación convencionales de aromáticos, por ejemplo, benceno tolueno, es igual a la producida por unas 20 centrales eléctricas de tamaño medio.

Este avance podría tener un gran impacto en el consumo de energía química de la gasolina. La investigación fue financiada por ExxonMobil y se basa en más de 15 años de esfuerzo de investigación colaborativa entre Georgia Tech y el líder mundial en petróleo y gas.

"A través de la colaboración con instituciones académicas sólidas como Georgia Tech, estamos constantemente explorando nuevos, formas más eficientes de producir la energía, productos químicos, y otros productos en los que los consumidores de todo el mundo confían todos los días, "dijo Vijay Swarup, vicepresidente de investigación y desarrollo de ExxonMobil Research and Engineering Company.

Los investigadores de Georgia Tech también descubrieron nuevos conocimientos sobre la estructura del carbono en sí. El equipo observó que los cambios sutiles en la proporción de los centros de carbono tridimensionales y bidimensionales en la membrana llevaron a cambios impresionantemente grandes en la movilidad de las isotermas de xileno dentro de ese material. Observaron que un cambio en esta relación (la relación de carbono sp3 / sp2) de 0,2 a 0,7 conducía a un aumento de factor de 1000 en la productividad de la membrana. Asombrosamente, la membrana mantuvo en gran medida su selectividad, o su capacidad para realizar la separación de isómeros de xileno, a pesar de estos cambios en la estructura del carbono.

"Cuantos más carbonos tridimensionales haya allí, cuanto mayor sea la productividad, "dijo M.G. Finn, profesor y presidente de la Escuela de Química y Bioquímica de Georgia Tech y coautor correspondiente del artículo. "Cuanto más aumenta la productividad, manteniendo la misma selectividad, menos membrana necesita para manejar la misma cantidad de alimentación de xileno. Desde una perspectiva de diseño, muestra que tiene este enorme control sobre cómo funciona la membrana al realizar cambios muy pequeños en la química del carbono, "Finn concluyó.