Un equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Georgia y ExxonMobil ha demostrado una nueva membrana de tamiz molecular basada en carbono que podría reducir drásticamente la energía requerida para separar una clase de moléculas de hidrocarburos conocidas como alquil aromáticos.
El nuevo material se basa en fibras huecas de polímero tratadas para retener su estructura, y tamaños de poro, ya que se convierten en carbono a través de la pirólisis. Las membranas de carbono se usan en una nueva "ósmosis inversa de solvente orgánico" OSROproceso en el que se aplica presión para efectuar la separación sin requerir un cambio de fase en la mezcla química.
Las fibras de carbono huecas, agrupadas en módulos, pueden separar moléculas cuyos tamaños difieren en una fracción de nanómetro al tiempo que proporcionan velocidades de procesamiento superiores a las de las zeolitas de tamiz molecular existentes. Debido a que utiliza un precursor de polímero comercial, los investigadores creen que el nuevola membrana tiene potencial para la comercialización e integración en los procesos de separación química industrial. La investigación se informará en la edición del 19 de agosto de la revista ciencia .
La separación se logra actualmente a través de procesos de refinación como la cristalización y la adsorción con destilación, que requieren mucha energía. A nivel mundial, la cantidad de energía utilizada en los procesos de separación convencionales para alquil aromáticos es igual a la producida por aproximadamente 20 plantas de energía de tamaño medio.
"Vemos esto como una tecnología potencialmente disruptiva en la forma en que separamos xilenos y compuestos orgánicos similares", dijo Benjamin McCool, uno de los coautores del artículo y un asociado de investigación avanzada en ExxonMobil Corporate Strategic Research en Annandale, NJ "Sipodemos hacer que esto funcione a escala industrial, podría reducir drásticamente la energía requerida por estos procesos de separación ".
La fabricación del nuevo material de membrana comienza con fibras de polímero huecas de aproximadamente 200 micras de diámetro, ligeramente más gruesas que el cabello humano promedio. Las fibras tienen tamaños de poro de menos de un nanómetro y se tratan mediante reticulación antes de convertirse encarbono a través de un proceso de pirólisis. Los tamaños de poro de las fibras se pueden ajustar durante el proceso de fabricación.
"Tomamos una plataforma escalable basada en membranas poliméricas y luego convertimos esos materiales en tamices moleculares inorgánicos", explicó Ryan Lively, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech y autor correspondiente del artículo. "Nuestras membranas son mecánicamenterobusto y puede soportar las condiciones de proceso requeridas por OSRO. Mantienen propiedades mecánicas ventajosas y el rendimiento de la membrana a medida que se convierten en fibra de carbono ".
Dong-Yeun Koh, animado y posdoctoral, utilizó el proceso OSRO en el laboratorio para separar mezclas de para-xileno y orto-xileno, moléculas cuyos tamaños difieren en una décima parte de un nanómetro. Al aplicar presión a temperatura ambiente, la membranapuede convertir la mezcla 50-50 en una mezcla 85-15 a un alto flujo en relación con las membranas de zeolita.
"Estas moléculas tienen tamaños y propiedades increíblemente similares, pero las membranas pueden distinguirlas", dijo Lively. "Este corte a granel de la mezcla mejora en gran medida la concentración con un aporte de energía muy bajo. Esta mezcla podría ser alimentada a unproceso térmico convencional para el acabado, que reduciría drásticamente la entrada de energía total "
En uso industrial, las membranas se agruparían en módulos que se utilizarían en instalaciones químicas. "En la práctica, obtendría tantos módulos como sea necesario para una aplicación en particular, y si la necesidad aumentara, simplemente podría agregarmás módulos ", dijo Lively." Sería totalmente escalable "
Las membranas de ósmosis inversa ya se usan ampliamente en la desalinización para producir agua potable a partir de agua salada, consumiendo una fracción de la energía requerida por el proceso impulsado térmicamente. Las membranas de fibra de carbono se están utilizando para la separación de gases, pero se cree que el nuevo proceso OSRO esEl primer uso de ósmosis inversa con membranas de carbono para separar los hidrocarburos líquidos.
Aunque la membrana ha demostrado resultados prometedores, aún enfrenta varios desafíos. Las membranas deberán probarse con separaciones más difíciles antes de que puedan considerarse para su comercialización y ampliación. Las mezclas industriales normalmente contienen múltiples compuestos orgánicos diferentes,y pueden incluir materiales que pueden dañar los sistemas de membrana. Los investigadores también tendrán que aprender a fabricar el material de manera consistente y demostrar que puede resistir el uso industrial a largo plazo.
"Debido a que estamos comenzando con polímeros disponibles comercialmente y estamos utilizando equipos de tipo comercial, podemos ver una línea de visión clara para la comercialización con esta tecnología", dijo McCool. "Es una gran ventaja que las membranas seangirando en una línea de fibra hueca similar a la que se usa actualmente en la industria. El horizonte de tiempo para que esto suceda y el costo de producción podrían ser muy ventajosos sobre otros sistemas inorgánicos o materiales más exóticos como el grafeno ".
El desarrollo del proceso OSRO resultó de un proceso colaborativo en el que los investigadores de Georgia Tech trabajaron estrechamente con los científicos de ExxonMobil, incluidos McCool y el científico Harry Deckman, para identificar y superar los desafíos del procesamiento industrial.
"ExxonMobil es un líder en su compromiso con la ciencia fundamental", dijo Mike Kerby, gerente de Investigación Estratégica Corporativa de ExxonMobil. "Como parte de nuestro compromiso, continuamos ampliando nuestra apertura de investigación a través de colaboraciones con instituciones académicas de investigación para permitirnos mejoridentificar posibles tecnologías innovadoras para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, aumentar el suministro de energía y obtener otros beneficios ambientales "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por John Toon. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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