Tecnologia de membranes per separar gasos

Investigadors de l'Institut de Tecnologia Química han aconseguit un avanç significatiu en la tecnologia per a la separació de gasos mitjançant membranes. Permet dissenyar les membranes per separar diferents gasos i pot tenir aplicacions en diversos sectors industrials.

Foto de microscopía electrónica de barrido (FESEM) que muestra láminas de MOF. Puede verse que son mucho más anchas (varios micrómetros) que gruesas (menos de 20 nanómetros).Científics de l'Institut de Tecnologia Química, centre mixt del CSIC i de la Universitat Politècnica de València, han desenvolupat una tecnologia de membranes per separar gasos, que pot tenir nombroses aplicacions industrials. Les membranes estan formades per làmines de gruix nanomètric (veure imatge), fetes de compostos metalorgánicos (o MOF, acrònim de Metall-Organic-Framework) altament porosos, i incorporades sobre un polímer, que els serveix de suport.

Avelino Corma, investigador del CSIC a l'Institut de Tecnologia Química, i líder de la investigació, explica: "Les proves de tomografia que hem fet posteriorment, emprant el microscopi de feix d'ions focalitzats, han revelat que el material mixt resultant posseeix unes propietats excel·lents per a la separació de gasos, així com un inusual i altament beneficiós augment de la selectivitat de separació amb la pressió".

Els investigadors han posat a prova aquestes membranes en la separació de CO2 i metà, amb resultats positius. També poden usar-se en la separació d'altres mescles rellevants industrialment, com la separació de nitrogen i oxigen, i en la separació de propè i propà.

Sedàs molecular a mida

Francesc Llabrés, de l'ITQ explica que modificant el material MOF es pot ajustar la selectivitat i permeabilitat de la membrana. "Ajustar el grandària dels seus porus i la seva composició química, es poden adaptar les nanolàmines perquè filtrin altres gasos, fins i tot en mescles de més de dos components. Possiblement, tot i que encara estem investigant, també es puguin adaptar per filtrar elements en fase líquida ". Són, doncs, sedados moleculars que poden adaptar-se a la mesura de l'aplicació.

El gran avantatge d'aquest desenvolupament és que faciliten molt aplicacions fins ara difícils d'abordar. I és que, per exemple, actualment hi ha zeolites que permeten la separació de gasos, però la seva incorporació en membranes polimèriques és molt difícil, perquè les zeolites en general no s'adhereixen bé sobre un suport polimèric. "S'adhereixen malament i deixen entre si" buits "o defectes, a través dels quals el gas que es vol separar pot difondre lliurement", detalla Llabrés.

En canvi, les nano-làmines de MOF s'adhereixen molt bé al polímer, sense deixar buits i aconseguint un millor sedàs. Amb elles s'obre la porta a aplicacions de plàstics barrera en general, com els polímers per a la protecció d'aliments.

Recreación de las membranas, donde se ven las nano-láminas de MOF (en color verde claro) que se disponen paralelas a la superficie de la membrana y exponiendo sus caras en la dirección del flujo del gas. También puede verse una molécula de CO2 (roja y gris) que está atravesando una de estas láminas de MOF, mientras que la molécula de metano (blanca y gris) no puede hacerlo y se queda retenida en la superficie de la lámina.

També es pot aplicar per a processos de catàlisi a través de membranes. Enfront d'altres tecnologies alternatives, com la destil·lació criogènica -que requereix la liqüefacció de la barreja de gasos a separar, el que suposa una despesa d'energia addicional important-, la tecnologia de membranes ofereix un important estalvi energètic. També ofereix menor impacte ambiental, si es compara amb la separació de gasos mitjançant condensació o absorció amb amines, compostos derivats del amoníac que suposen un residu un cop han estat usats. A més, aquesta nova tecnologia de membranes permet construir unitats de separació de gasos de menor grandària.

En aquest treball, liderat pel CSIC, també han participat investigadors dels grups Catalysis Engineering i del Kavli Institute of Nanoscience, ambdós de la Universitat Tècnica de Delft (Països Baixos), i del Max Planck Institut für Kohlenforschung (Alemanya).

T. Rodenas, I. Luz, G. Prieto, B. Seoane, H. Miro, A. Corma, F. Kapteijn, F. X. Llabrés i Xamena and J. Gascon. Metal-organic-framework nanosheets in polymer composite materials for gas separation applications. Nature Materials (2014), doi: 10.1038/nmat4113