Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y de la Universidad de Tennessee, Knoxville, están avanzando en los materiales de membrana de gas para expandir las opciones tecnológicas prácticas para reducir las emisiones industriales de carbono.
Resultados publicados en Chem demuestre un método de fabricación para materiales de membrana que pueda superar los cuellos de botella actuales en selectividad y permeabilidad, variables clave que impulsan el rendimiento de captura de carbono en entornos reales.
"A menudo hay una compensación en cuanto a cuán selectiva o permeable puede ser la fabricación de membranas que filtran el dióxido de carbono sin permitir el paso de otros gases. El escenario ideal es crear materiales con alta permeabilidad y selectividad", dijo Zhenzhen Yangdel Departamento de Química de UT.
Las membranas de gas son una tecnología prometedora pero aún en desarrollo para reducir las emisiones de postcombustión o gases de combustión producidas por las industrias de combustibles fósiles.
El concepto es simple: una membrana delgada y porosa actúa como un filtro para las mezclas de gases de escape, permitiendo selectivamente dióxido de carbono o CO 2 , para fluir libremente hacia un colector que se mantiene bajo presión reducida, pero que evita que el oxígeno, el nitrógeno y otros gases se peguen.
A diferencia de los métodos químicos existentes para capturar CO 2 a partir de procesos industriales, las membranas son fáciles de instalar y pueden funcionar sin supervisión durante largos períodos sin pasos adicionales o costos de energía adicionales. El problema es que se necesitan materiales nuevos y rentables para ampliar la tecnología para su adopción comercial.
"Las membranas de gas necesitan presión en un lado y típicamente vacío en el otro para mantener un ambiente de flujo libre, por eso la selectividad y la permeabilidad de los materiales son tan importantes para desarrollar la tecnología", dijo Ilja Popovs de la División de Ciencias Químicas de ORNL"Los materiales de bajo rendimiento requieren más energía para impulsar los gases a través del sistema, por lo que los materiales avanzados son clave para mantener bajos los costos de energía".
No hay materiales naturales y solo unos pocos sintéticos han excedido lo que se llama el límite superior Robeson, un límite conocido que restringe cuán selectivos y permeables pueden ser la mayoría de los materiales antes de que estas tasas comiencen a caer.
Los materiales con selectividad y permeabilidad suficientemente altas para separaciones de gases eficientes son raros y a menudo están hechos de costosos materiales de partida cuya producción requiere una síntesis larga y tediosa o catalizadores de metales de transición costosos.
"Nos propusimos probar una hipótesis de que la introducción de átomos de flúor en los materiales de la membrana podría mejorar el rendimiento de captura y separación de carbono", dijo Yang.
El elemento flúor, utilizado para fabricar productos de consumo como el teflón y la pasta de dientes, ofrece propiedades de dióxido de carbono-philic que lo hacen atractivo para aplicaciones de captura de carbono. También está ampliamente disponible, lo que lo convierte en una opción relativamente asequible para la fabricación de bajo costométodos. La investigación sobre las membranas de gases fluorados ha sido limitada debido a los desafíos fundamentales de incorporar flúor en los materiales para realizar su funcionalidad que ama el carbono.
"Nuestro primer paso fue crear un polímero único a base de flúor utilizando métodos químicos simples y materiales de partida disponibles comercialmente", dijo Yang.
Luego, los investigadores transformaron, o carbonizaron, el material usando calor para darle la estructura porosa y la funcionalidad necesaria para capturar CO 2 . El proceso de dos pasos preservó los grupos fluorados y aumentó el CO 2 selectividad en el material final, superando un obstáculo fundamental encontrado en otros métodos sintéticos.
"El enfoque dio como resultado un material de dióxido de carbono-philic con un área de superficie alta y ultra-microporos que es estable en condiciones de operación de alta temperatura", dijo Yang. "Todos estos factores lo convierten en un candidato prometedor para la captura de carbono ymembranas de separación "
El diseño novedoso del material contribuye a su rendimiento excepcional, observado en altas tasas de selectividad y permeabilidad que exceden el límite superior de Robeson, algo que solo un puñado de materiales ha logrado.
"Nuestro éxito fue un logro material que demuestra rutas viables para aprovechar el flúor en futuros materiales de membrana. Además, logramos este objetivo utilizando materiales de partida económicos y disponibles comercialmente", dijo Popovs.
El descubrimiento básico amplía la biblioteca limitada de opciones prácticas para las membranas de captura de carbono y abre nuevas direcciones para desarrollar membranas fluoradas con otras funcionalidades específicas de la tarea.
Los investigadores pretenden investigar a continuación el mecanismo por el cual las membranas fluoradas absorben y transportan CO 2 , un paso fundamental que informará el diseño de mejores sistemas de captura de carbono con materiales diseñados específicamente para tomar CO 2 emisiones
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