Los procesos industriales para separaciones químicas, incluida la purificación de gas natural y la producción de oxígeno y nitrógeno para usos médicos o industriales, son colectivamente responsables de alrededor del 15 por ciento del uso de energía en el mundo. También contribuyen con una cantidad correspondiente a las emisiones de gases de efecto invernadero del mundo. Ahora, investigadores del MIT y la Universidad de Stanford han desarrollado un nuevo tipo de membrana para llevar a cabo estos procesos de separación con aproximadamente 1/10 del uso de energía y las emisiones.

Se sabe que el uso de membranas para la separación de productos químicos es mucho más eficiente que procesos como la destilación o la absorción, pero siempre ha existido un equilibrio entre la permeabilidad (la rapidez con la que los gases pueden penetrar a través del material) y la selectividad (la capacidad de dejar que las moléculas deseadas atravesar mientras bloquea a todos los demás. La nueva familia de materiales de membrana, basada en polímeros de "escalera de hidrocarburo", supera esa compensación, proporcionando una alta permeabilidad y una selectividad extremadamente buena, dicen los investigadores.

Los hallazgos se informan en la revista Science , en un artículo de Yan Xia, profesor asociado de química en Stanford; Zachary Smith, profesor asistente de ingeniería química en el MIT; Ingo Pinnau, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah, y otros cinco.

La separación de gases es un proceso industrial importante y generalizado cuyos usos incluyen la eliminación de impurezas y compuestos no deseados del gas natural o biogás, la separación del oxígeno y el nitrógeno del aire para fines médicos e industriales, la separación del dióxido de carbono de otros gases para la captura de carbono y la producción de hidrógeno para su uso. como un combustible de transporte libre de carbono. Las nuevas membranas de polímero en escalera son prometedoras para mejorar drásticamente el rendimiento de tales procesos de separación. Por ejemplo, al separar el dióxido de carbono del metano, estas nuevas membranas tienen cinco veces la selectividad y 100 veces la permeabilidad de las membranas celulósicas existentes para ese propósito. Del mismo modo, son 100 veces más permeables y tres veces más selectivos para separar el gas hidrógeno del metano.

El nuevo tipo de polímeros, desarrollado en los últimos años por el laboratorio Xia, se conoce como polímeros en escalera porque están formados por cadenas dobles conectadas por enlaces similares a peldaños, y estos enlaces proporcionan un alto grado de rigidez y estabilidad al material de polímero Estos polímeros de escalera se sintetizan a través de una química eficiente y selectiva que desarrolló el laboratorio Xia llamada CANAL, un acrónimo de anulación catalítica de areno-norborneno, que une productos químicos fácilmente disponibles en estructuras de escalera con cientos o incluso miles de peldaños. Los polímeros se sintetizan en una solución, donde forman hebras rígidas y retorcidas en forma de cinta que se pueden convertir fácilmente en una lámina delgada con poros a escala subnanométrica mediante el uso de procesos de fundición de polímeros disponibles industrialmente. Los tamaños de los poros resultantes se pueden ajustar mediante la elección de los compuestos de partida de hidrocarburos específicos. "Esta química y la elección de componentes químicos básicos nos permitieron fabricar polímeros en escalera muy rígidos con diferentes configuraciones", dice Xia.

Para aplicar los polímeros CANAL como membranas selectivas, la colaboración hizo uso de la experiencia de Xia en polímeros y la especialización de Smith en investigación de membranas. Holden Lai, exestudiante de doctorado de Stanford, llevó a cabo gran parte del desarrollo y la exploración de cómo sus estructuras impactan en las propiedades de permeación del gas. "Nos llevó ocho años desde que desarrollamos la nueva química hasta encontrar las estructuras poliméricas correctas que otorgan el alto rendimiento de separación", dice Xia.

El laboratorio de Xia pasó los últimos años variando las estructuras de los polímeros CANAL para comprender cómo sus estructuras afectan su rendimiento de separación. Sorprendentemente, descubrieron que agregar torceduras adicionales a sus polímeros CANAL originales mejoró significativamente la robustez mecánica de sus membranas y aumentó su selectividad para moléculas de tamaños similares, como los gases de oxígeno y nitrógeno, sin perder la permeabilidad del gas más permeable. De hecho, la selectividad mejora a medida que el material envejece. La combinación de alta selectividad y alta permeabilidad hace que estos materiales superen a todos los demás materiales poliméricos en muchas separaciones de gases, dicen los investigadores.

Hoy en día, el 15 por ciento del uso global de energía se destina a separaciones químicas, y estos procesos de separación "a menudo se basan en tecnologías centenarias", dice Smith. "Funcionan bien, pero tienen una huella de carbono enorme y consumen cantidades masivas de energía. El desafío clave hoy en día es tratar de reemplazar estos procesos no sostenibles". La mayoría de estos procesos requieren altas temperaturas para hervir y volver a hervir las soluciones y, a menudo, estos son los procesos más difíciles de electrificar, agrega.

Para la separación de oxígeno y nitrógeno del aire, las dos moléculas solo difieren en tamaño en aproximadamente 0,18 angstroms (diez mil millonésimas de metro), dice. Hacer un filtro capaz de separarlos de manera eficiente "es increíblemente difícil de hacer sin disminuir el rendimiento". Pero los nuevos polímeros en escalera, cuando se fabrican en membranas, producen pequeños poros que logran una alta selectividad, dice. En algunos casos, 10 moléculas de oxígeno permean por cada nitrógeno, a pesar del tamiz muy fino necesario para acceder a este tipo de selectividad de tamaño. Estos nuevos materiales de membrana tienen "la combinación más alta de permeabilidad y selectividad de todos los materiales poliméricos conocidos para muchas aplicaciones", dice Smith.

"Debido a que los polímeros CANAL son fuertes y dúctiles, y debido a que son solubles en ciertos solventes, podrían escalarse para su implementación industrial en unos pocos años", agrega. Una empresa derivada del MIT llamada Osmoses, dirigida por los autores de este estudio, ganó recientemente el concurso de iniciativa empresarial de $100 000 del MIT y ha sido financiada en parte por The Engine para comercializar la tecnología.

Hay una variedad de aplicaciones potenciales para estos materiales en la industria de procesamiento químico, dice Smith, incluida la separación del dióxido de carbono de otras mezclas de gases como una forma de reducción de emisiones. Otra posibilidad es la purificación de combustible de biogás elaborado a partir de productos de desecho agrícola para proporcionar combustible de transporte libre de carbono. La separación de hidrógeno para producir un combustible o una materia prima química también podría llevarse a cabo de manera eficiente, ayudando con la transición a una economía basada en el hidrógeno.

El equipo unido de investigadores continúa refinando el proceso para facilitar el desarrollo desde el laboratorio hasta la escala industrial, y para comprender mejor los detalles sobre cómo las estructuras macromoleculares y el empaquetamiento dan como resultado la selectividad ultraalta. Smith dice que espera que esta tecnología de plataforma desempeñe un papel en múltiples vías de descarbonización, comenzando con la separación de hidrógeno y la captura de carbono, porque existe una necesidad apremiante de estas tecnologías para hacer la transición a una economía libre de carbono.

El equipo de investigación también incluyó a Jun Myun Ahn y Ashley Robinson en Stanford, Francesco Benedetti en MIT, ahora director ejecutivo de Osmoses, y Yingge Wang en la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah en Arabia Saudita. + Explora más

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