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Última actualizaciónMié, 13 Ene 2021 10am

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Tecnología de membranas para separar gases

Investigadores del Instituto de Tecnología Química han conseguido un avance significativo en la tecnología para la separación de gases mediante membranas. Permite diseñar las membranas para separar diferentes gases y  puede tener aplicaciones en diversos sectores industriales.


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).Científicos del Instituto de Tecnología Química, centro mixto del CSIC y  de la Universitat Politècnica de Valencia, han desarrollado una tecnología de membranas para separar gases, que puede tener numerosas aplicaciones industriales. Las membranas están formadas por láminas de espesor nanométrico (ver imagen), hechas de compuestos metalorgánicos (o MOF, acrónimo de Metal-Organic-Framework) altamente porosos, e incorporadas sobre un polímero, que les sirve de soporte.

Avelino Corma, investigador del CSIC en el Instituto de Tecnología Química, y líder de la investigación, explica: “Las pruebas de tomografía que hemos realizado posteriormente, empleando el microscopio de haz de iones focalizados, han revelado que el material mixto resultante posee unas propiedades excelentes para la separación de gases, así como un inusual y altamente beneficioso aumento de la selectividad de separación con la presión”.

Los investigadores han puesto a prueba estas membranas en la separación de CO2 y metano, con resultados positivos. También pueden usarse en la separación de otrasmezclas relevantes industrialmente, como la separación de nitrógeno y oxígeno, y en la separación de propeno y propano.

Tamices moleculares a medida

Francesc Llabrés, del ITQ explica que modificando el material MOF se puede ajustar la selectividad y permeabilidad de la membrana. “Ajustando el tamaño de sus poros y su composición química, se pueden adaptar las nanolaminas para que filtren otros gases, incluso en mezclas de más de dos componentes. Posiblemente, aunque aún estamos investigando, también se puedan adaptar para filtrar elementos en fase líquida”. Son, pues, tamices moleculares que pueden adaptarse a la medida de la aplicación.

La gran ventaja de este desarrollo es que facilitan mucho aplicaciones hasta ahora difíciles de abordar. Y es que, por ejemplo, actualmente hay zeolitas que permiten la separación de gases, pero su incorporación en membranas poliméricas es muy difícil, porque las zeolitas por lo general no se adhieren bien sobre un soporte polimérico. “Se adhieren mal y dejan entre sí “huecos” o defectos, a través de los cuales el gas que se quiere separar puede difundir libremente”, detalla Llabrés. En cambio, las nano laminas de MOF se adhieren muy bien al polímero, sin dejar huecos y consiguiéndose un mejor tamiz. Con ellas se abre la puerta a aplicaciones de plásticos barrera en general, como los polímeros para la protección de alimentos.

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.

También se puede aplicar para procesos de catálisis a través de membranas. Frente a otras tecnologías alternativas, como la destilación criogénica -que requiere la licuefacción de la mezcla de gases a separar, lo que supone un gasto de energía adicional importante-, la tecnología de membranas ofrece un importante ahorro energético. También ofrece menor impacto ambiental, si se compara con la separación de gases mediante condensación o absorción con aminas, compuestos derivados del amoniaco que suponen un residuo una vez han sido usadas. Además, esta nueva tecnología de membranas permite  construir unidades de separación de gases de menor tamaño.

En este trabajo, liderado por el CSIC, también han participado investigadores de los grupos Catalysis Engineering y del Kavli Institute of Nanoscience de la Universidad Técnica de Delft (Países Bajos) y del Max Planck Institut für Kohlenforschung (Alemania).

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