Los marcos metal-orgánicos pueden separar los gases a pesar de la presencia de agua
Los marcos metalorgánicos (MOF) son materiales prometedores para la separación de gases de bajo costo y menos intensivos en energía, incluso en presencia de impurezas como el agua.
Una visualización de la estructura de las estructuras orgánicas de metal con el metal (cobalto, azul) en las esquinas y las estructuras orgánicas que abarcan los lados (carbono, gris; oxígeno, rojo).
Vervoorts P. et al., ACS Applied Materials & Interfaces, Jan. 27, 2020
Los análisis experimentales del rendimiento de los marcos metalorgánicos (MOF) para la separación del propano y el propeno en condiciones reales revelaron que la teoría más utilizada para predecir la selectividad no arroja estimaciones precisas, y también que el agua como impureza no tiene un efecto perjudicial en el rendimiento del material.
Los hidrocarburos de cadena corta se producen en mezclas después del tratamiento del petróleo crudo en las refinerías y deben ser separados para que sean útiles industrialmente. Por ejemplo, el propano se utiliza como combustible y el propeno como materia prima para la síntesis química, como la producción de polímeros. Sin embargo, el proceso de separación suele requerir altas temperaturas y presiones, y además la eliminación de otras impurezas como el agua hace que el proceso sea costoso y consuma energía.
La estructura del MOF estudiado ofrece una alternativa de separación duradera, adaptable y, lo que es más importante, eficiente en condiciones ambientales. Se basan en el hecho de que las moléculas insaturadas como el propeno pueden complejarse con los átomos metálicos expuestos del material, mientras que las saturadas como el propano no lo hacen. Si bien las investigaciones se han centrado en el desarrollo de diferentes marcos metalorgánicos para diferentes procesos de separación, la viabilidad de la utilización de esos materiales en aplicaciones a escala industrial sólo se suele medir basándose en una teoría que hace muchas suposiciones idealizadoras tanto sobre el material como sobre la pureza de los gases. Así pues, no ha quedado claro si estas predicciones se mantienen en condiciones más complicadas pero también más realistas.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Hokkaido en torno al profesor Shin-ichiro Noro, en colaboración con el grupo del profesor Roland A. Fischer de la Universidad Técnica de Munich, llevó a cabo una serie de mediciones sobre el rendimiento de un MOF prototípico para determinar la selectividad del material en el mundo real, tanto para las estructuras completamente secas como para las preexpuestas al agua.
Sus resultados recientemente publicados en ACS Applied Materials & Interfaces muestran que las selectividades predichas del material son demasiado altas comparadas con los resultados del mundo real. También demostró que el agua no disminuye drásticamente la selectividad, aunque sí reduce la capacidad del material para absorber gas. El equipo realizó entonces cálculos químicos cuánticos para comprender por qué y se dio cuenta de que las propias moléculas de agua ofrecen nuevos sitios de unión a los hidrocarburos insaturados, como el propeno (pero no el propano), conservando así la funcionalidad del material.
Los investigadores afirman: "Demostramos el poder de los experimentos de adsorción de multi-componentes para analizar la viabilidad de usar un sistema MOF". Así pues, quieren concienciar sobre las deficiencias de las teorías comúnmente utilizadas y motivar a otros grupos a utilizar también una combinación de diferentes mediciones del mundo real.
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