13/04/2018 - Avances en el desarrollo de tecnologías de químicas más sostenibles y energéticamente eficientes

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El calentamiento global, la escasez de energía y la disminución de los recursos ponen de manifiesto la necesidad de crear tecnologías más eficientes, sostenibles y respetuosas con el medio ambiente. Estas mejoras resultan especialmente vitales en industrias con un elevado consumo de energía como los sectores de los productos químicos y petroquímicos.

La mayor parte de los procesos de producción de la industria petroquímica se realiza a temperaturas extremas, para lo cual se necesitan grandes cantidades de energía. El propileno es uno de los productos obtenidos con procesos de este tipo y se utiliza en adhesivos, fibras, pinturas y muchos otros productos industriales y de consumo. Para purificar el propileno, se separa del propano mediante destilación criogénica, un proceso con un elevado consumo de energía que incluye la refrigeración de los gases a temperaturas ultra bajas.

Con el objetivo de reducir la demanda energética de estos procesos, científicos del Proyecto ENACT, financiado con fondos europeos, han dado importantes pasos para superar estos retos mediante el desarrollo de tecnologías químicas sostenibles.

La promesa de los MOF

Encontramos una alternativa más eficiente desde el punto de vista energético en una clase de polímeros porosos conocidos como estructuras organometálicas o MOF. Estos compuestos cristalinos constan de iones metálicos que se fijan a ligandos orgánicos para formar estructuras 3D. Las características exclusivas de los MOF, como su elevada porosidad, grandes áreas superficiales y diversidad de estructuras, hacen que resulten adecuados para una amplia variedad de procesos industriales, entre los que se incluye el almacenamiento, la purificación y la separación de gases, así como aplicaciones de catálisis y detección. También son unos materiales prometedores para aplicaciones de captura de carbono debido a su elevada capacidad de absorción de este elemento y al hecho de poder ajustar con precisión sus propiedades.

Las membranas a base de MOF ofrecen unos resultados especialmente buenos para la separación de gases. Sus nanoporos resultan ideales para atrapar moléculas a la vez que permiten el paso de otras sustancias. Una clase de MOF llamados ZIF-8 (estructura de imidazolato zeolítico-8) ofrece un rendimiento excepcional en la separación de mezclas de propileno y propano. Esta película ultrafina permite que el propileno se difunda a través de sus poros de manera 125 veces más eficiente que otros materiales. Además, el proceso de separación se lleva a cabo a temperaturas ambiente de unos 30 °C, por lo que implica un menor consumo de energía.

Un nuevo giro al MOF

Hasta ahora, ha sido necesario realizar modificaciones complejas de los soportes porosos de las membranas ZIF-8 para que estas ofrecieran un buen rendimiento en la separación de propileno-propano. Ante este reto, el equipo ENACT ha desarrollado un método para sintetizar ZIF-8 sin modificar el soporte. Su método, llamado agrupación electroforética del núcleo para la cristalización de películas finas muy interrelacionadas, se describe en el artículo científico publicado en la «Biblioteca en línea Wiley».

Con este nuevo método, los científicos han logrado sintetizar membranas ZIF-8 sin defectos y de 0,5 μm de grosor en una amplia variedad de soportes sin modificar como poliacrilonitrilo poroso, óxido de aluminio anodizado, láminas de metal, carbón poroso y grafeno. Los resultados han mostrado uno de los mayores rendimientos de separación de propileno-propano observados hasta ahora para membranas MOF. Tal y como explican los autores, su enfoque novedoso es «sencillo, reproducible y se puede extender a una amplia gama de cristales nanoporosos».

A partir de simulaciones informáticas, síntesis de materiales y caracterizaciones experimentales, el Proyecto ENACT (Enhancing sustainable chemical technologies through the synergy of computer simulation and experiment) busca optimizar el diseño de los sistemas de fase líquida para tecnologías químicas. Su principal objetivo es utilizar los avances realizados en diversos campos, como las membranas biométricas y líquidas porosas, para desarrollar procesos eficientes y sostenibles que tengan a la vez un impacto medioambiental reducido. Esto permitirá luchar contra la contaminación del aire, la escasez de energía y el calentamiento global.

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