La industria ha dependido durante mucho tiempo de procesos que consumen mucha energía, como la destilación y la cristalización, para separar moléculas que, en última instancia, sirven como ingredientes en medicamentos, productos químicos y otros productos.
En las últimas décadas, ha habido un impulso para sustituir estos procesos por membranas, que son potencialmente una alternativa ecológica y de menor costo. Desafortunadamente, la mayoría de las membranas están hechas de polímeros que se degradan durante el uso, lo que las hace poco prácticas.
Para resolver este problema, un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Buffalo ha creado una membrana nueva y más resistente que puede soportar entornos hostiles (altas temperaturas, alta presión y disolventes químicos complejos) asociados con los procesos de separación industrial.
Hecho de un material inorgánico llamado óxido metálico dopado con carbono, se describe en un estudio publicado el 7 de septiembre en Science. .
"Los procesos de separación de moléculas, ya sea para la desalinización del agua, la producción de medicamentos o fertilizantes, utilizan una cantidad increíble de energía", dice el autor correspondiente del estudio, Miao Yu, Ph.D., profesor de Innovación SUNY Empire en el Departamento de Química. e Ingeniería Biológica en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Buffalo.
"Lo que hemos desarrollado es una técnica para fabricar fácilmente membranas fuertes y libres de defectos que tienen nanoporos rígidos que pueden controlarse con precisión para permitir el paso de moléculas de diferentes tamaños", añade Yu, miembro principal de la facultad del Instituto RENEW de la UB.
Los primeros autores del estudio son Bratin Sengupta, Ph.D. estudiante en el laboratorio de Yu, y Qiaobei Dong, Ph.D., quien estudió con Yu y ahora trabaja en GTI Energy.
Para crear la membrana, el equipo de investigación se inspiró en dos técnicas de fabricación comunes, pero no relacionadas.
La primera es la deposición de capas moleculares, que implica la colocación de capas de películas delgadas de materiales y que se asocia más a menudo con la producción de semiconductores. La segunda técnica es la polimerización interfacial, que es un método de combinación de productos químicos que se utiliza comúnmente para crear pilas de combustible, sensores químicos y otros dispositivos electrónicos.
"Estos métodos no son nuevos", dice Sengupta, "sin embargo, la forma en que los aplicamos sí lo es, y esa es la clave para crear nuestras nuevas membranas nanoporosas".
En experimentos, los investigadores fusionaron dos reactivos de bajo costo (etilenglicol líquido y tetracloruro de titanio gaseoso) sobre un soporte a base de aluminio. En cuestión de minutos, la reacción creó una película delgada.
Para crear los nanoporos, aplicaron calor a la película. El calor quema el carbono, creando pequeños agujeros microscópicos por los que pasan las moléculas. El tamaño de los nanoporos puede oscilar entre 0,6 y 1,2 nanómetros de diámetro, según lo determinado por el entorno del gas de calcinación, así como por la cantidad y duración del calor.
El método permite a los investigadores evitar un problema persistente (pequeños agujeros que se fusionan con otros más grandes, haciéndolos más porosos de lo previsto) al crear membranas a base de polímeros.
La nueva membrana puede soportar temperaturas de hasta 284°F (140°C) y presiones de hasta 30 atmósferas cuando se expone a solventes orgánicos. Estos atributos son clave porque permiten que la membrana separe moléculas a altas temperaturas (para que la mayoría de las membranas poliméricas funcionen, se debe reducir la temperatura de los solventes, lo cual es costoso desde el punto de vista energético).
"Desde este punto de vista, nuestra membrana tiene el potencial de reducir la huella de carbono de muchos procesos industriales", afirma Yu.
Para demostrar la eficacia de la membrana, el equipo demostró que podía separar boscalid, un fungicida utilizado para proteger los cultivos, de su catalizador y reactivo inicial. Todo el proceso ocurrió a 194°F.
El equipo está planeando experimentos adicionales para demostrar que la membrana se puede ampliar para productos comerciales. Además, Yu planea iniciar una empresa para promover la viabilidad comercial de la tecnología.
Más información: Bratin Sengupta et al, Nanopelículas interfaciales de óxido metálico dopadas con carbono para una separación ultrarrápida y precisa de moléculas, Ciencia (2023). DOI:10.1126/ciencia.adh2404
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por la Universidad de Buffalo
