El equipo, dirigido por el profesor Mohamed Eddaoudi, diseñó su membrana porosa para separar el nitrógeno del metano aprovechando la diferencia entre la forma molecular de los gases. Crédito:KAUST.
Las mezclas químicas impuras ahora se pueden separar en función de las diferencias en la silueta molecular. Se han desarrollado membranas con poros a nanoescala que coinciden con la forma de las impurezas en la mezcla para que solo las impurezas puedan pasar. Los investigadores de KAUST han sugerido que la primera aplicación de estas membranas selectivas de forma basadas en estructuras metalorgánicas (MOF) podría ser la purificación de gas natural de bajo costo y eficiencia energética.
Los MOF son materiales porosos cristalinos híbridos orgánico-inorgánicos que pueden presentar diferentes tipos de poros a través de su estructura. Mediante la construcción de MOF a partir de diferentes bloques de construcción orgánicos e inorgánicos, los investigadores pueden ajustar con precisión la estructura y la apertura de los poros. Las membranas MOF han mostrado previamente un gran potencial para separar mezclas de moléculas en función de las diferencias en su tamaño o polarizabilidad.
Se prevé que el gas natural, también conocido como metano, desempeñe un papel cada vez más importante en el suministro mundial de energía durante la transición a las energías renovables. Casi todos los yacimientos de gas natural están contaminados con nitrógeno. "El nitrógeno diluye el valor calorífico del gas natural, por lo que debe eliminarse", dice Sheng Zhou, Ph.D. estudiante en el laboratorio de Mohamed Eddaoudi, quien dirigió la investigación.
El nitrógeno es químicamente inerte y similar tanto en forma cinética como en polarizabilidad al metano, por lo que las membranas existentes no pueden eliminarlo. "Para la purificación industrial de gas natural, es necesario que haya unidades de rechazo de nitrógeno basadas en la destilación criogénica", dice Zhou. Esta técnica de separación a temperatura ultrabaja es costosa y consume mucha energía.
Eddauodi, Zhou y sus colegas han desarrollado un método basado en MOF altamente eficiente para purificar metano. "Diseñamos una membrana porosa que separa el nitrógeno del metano aprovechando una diferencia significativa entre las moléculas:su forma", dice Zhou.
Mientras que el nitrógeno tiene una estructura lineal en forma de barra, el metano tiene un perfil triangular tipo trébol. El equipo creó un nuevo material de membrana, llamado Zr-fum67 -mes33 -fcu-MOF, con poros asimétricos formados con precisión para bloquear el metano pero permitir el paso del nitrógeno.
El equipo ahora ha demostrado que, en comparación con la separación criogénica, el MOF de forma selectiva redujo los costos de purificación en un 66 % para una corriente de metano que contenía un 15 % de nitrógeno.
Ilustración del nuevo material de membrana Zr-fum67-mes33-fcu-MOF. Crédito:KAUST.
También podrían eliminarse otras posibles impurezas. Para el metano contaminado con un 35 por ciento de dióxido de carbono y un 15 por ciento de nitrógeno, el costo de purificación se redujo en aproximadamente un 73 por ciento. "Vimos una reducción masiva en el costo total de purificación cuando se usó la membrana", dice Osama Shekhah, científico investigador sénior en el laboratorio de Eddaoudi.
Hasta ahora, la diferencia de forma en las mezclas moleculares se ha ignorado en gran medida, dice Eddaoudi. "La separación inducida por desajuste de forma es un mecanismo de separación totalmente nuevo", dice. "Una vez que las personas se centren en la separación por desajuste de forma, pueden encontrar muchas mezclas químicas, como hidrocarburos lineales y ramificados o productos químicos aromáticos, que podrían separarse de manera eficiente utilizando este concepto".
La investigación fue publicada en Nature . Diseñando la membrana perfecta para la separación limpia de gases
