Los líquidos porosos permiten una separación eficiente de los gases
El nuevo material abre la posibilidad de ahorrar hasta un 80 por ciento de energía al separar las materias primas para la industria del plástico
Junto con los socios de cooperación, un investigador del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) ha desarrollado "líquidos porosos": Las nanopartículas, que son capaces de separar moléculas de gas de diferentes tamaños entre sí, flotan - distribuidas finamente - en un disolvente. Esto se debe a que las partículas tienen poros vacíos, a través de cuyas aberturas sólo pueden penetrar moléculas de un cierto tamaño. Estos líquidos porosos pueden utilizarse directamente o procesarse en membranas que separan eficientemente el propeno de las mezclas gaseosas. El propeno, a su vez, se emplea como material de partida para el propileno, un material plástico muy utilizado. Esto podría reemplazar la destilación de energía intensiva que ha sido el procedimiento común hasta ahora.
Líquidos porosos que actúan como membranas: Este proceso podría ahorrar enormes cantidades de energía y por lo tanto de CO2 en la industria del plástico.
Alexander Knebel, KIT
El propeno, también conocido como propileno, es una de las materias primas más importantes para la industria química, de la cual se consumen alrededor de 100 millones de toneladas en todo el mundo cada año. El polipropileno, un verdadero "plástico de masa", producido a partir del propeno se utiliza principalmente para el envasado, pero también en industrias como la construcción y la automoción. El propeno se obtiene principalmente procesando petróleo crudo o gas natural. En este proceso, se separa de otros gases por destilación y luego se purifica. "En la literatura técnica, se supone que la separación de gases en la petroquímica mediante membranas sólo costaría una quinta parte de la energía necesaria para la destilación. En vista de las altas cantidades de propeno requeridas, esto significa que se puede evitar la liberación de enormes cantidades del gas de efecto invernadero CO2", dice el Jefe del Grupo de Investigación Junior Dr. Alexander Knebel del Instituto KIT de Interfaces Funcionales que realizó investigaciones en la Leibniz Universität Hannover y en Arabia Saudita hasta 2019.
El químico es uno de los principales colaboradores de un proyecto de investigación que, por primera vez, suscita interés en la industria petroquímica en lo que respecta al uso de membranas para la separación del propeno. Los socios de cooperación de Knebel fueron científicos de la Universidad Leibniz de Hannover, la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah y el Instituto Alemán de Kautschuktechnologie.
La estructura orgánico-metálica distribuida en un líquido por primera vez
Los investigadores comenzaron su trabajo con el material sólido ZIF-67 (marco de imidazol zeolítico) cuyos átomos forman un marco metal-orgánico con aberturas de poros de 0,34 nanómetros de ancho. Al hacerlo, modificaron sistemáticamente la superficie de las nanopartículas ZIF-67. "Esto nos permitió dispersar finamente una estructura orgánico-metálica en líquidos como el ciclohexano, el ciclooctano o el mesiteno", dice Knebel con alegría. Los científicos llaman a la dispersión resultante "líquido poroso".
El propeno gaseoso necesita mucho más tiempo para pasar a través de una columna llena de líquido poroso que el metano, por ejemplo. Esto se debe a que el propeno es retenido, por así decirlo, en los poros de las nanopartículas, mientras que las moléculas más pequeñas de metano pasan a través de ellas sin problemas. "Queremos explotar esta propiedad de la dispersión en el futuro para producir membranas de separación de líquidos", afirma Knebel.
Sin embargo, los líquidos porosos también pueden utilizarse para producir membranas de separación de sólidos con propiedades particularmente ventajosas. Los investigadores produjeron membranas de un material plástico y el químicamente modificado ZIF-67. Consiguieron aumentar la proporción de ZIF-67 modificado en la membrana hasta el 47,5 por ciento sin hacerla mecánicamente inestable. Cuando los científicos pasaron una mezcla de gas que consistía en partes iguales de propeno y propano sobre dos membranas dispuestas en serie, obtuvieron propeno con una pureza de al menos 99,9 por ciento, aunque las dos moléculas de gas difieren en tamaño en no más de 0,2 nanómetros.
Además de su eficiencia de separación, la cantidad de una mezcla de gas que puede atravesar en un tiempo determinado es decisiva para el uso práctico de tal membrana. Este flujo fue al menos tres veces mayor con las nuevas membranas que con los materiales anteriores. Con los valores de separación alcanzados, Knebel está convencido de que sería rentable para la industria petroquímica utilizar por primera vez membranas en lugar de los procesos de destilación convencionales para la separación de gases.
Es crucial para el rendimiento de las membranas que el mayor número posible de partículas orgánicas metálicas se distribuyan uniformemente en el plástico y que los poros de las nanopartículas no se obstruyan con disolventes durante la producción de la membrana, es decir, que permanezcan vacíos, por así decirlo. "Fuimos capaces de lograr ambos objetivos porque no incorporamos directamente las partículas sólidas en la membrana, sino que procedimos a través de los líquidos porosos aunque esto parezca un desvío", explica Knebel.
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Publicación original
Knebel, A., Bavykina, A., Datta, S., Sundermann, L., Garzon-Tovar, L., Lebedev, Y., Durini, S., Ahmad, R., Kozlov, S. M., Shterk, G., Karunakaran, M., Carja, I. D., Simic, D., Weilert, I., Klüppel, M., Giese, U., Cavallo, L., Rueping, M., Eddaoudi, M., Caro, J., Gascon, J.; "Solution processable metal-organic frameworks for mixed matrix mem¬branes using porous liquids"; Nature Materials; 2020.
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