Un equipo de investigadores internacionales ha desarrollado una nueva clase de membranas poliméricas ultrafinas capaces de separar de forma rápida y selectiva mezclas complejas de hidrocarburos, lo que podría transformar la manera en que se refina el petróleo crudo y se procesan los residuos de las refinerías, reduciendo significativamente la energía necesaria para uno de los procesos industriales que más energía consume en el mundo.
El estudio titulado “Membranas poliméricas ultrafinas con microporosidad intrínseca bloqueada para el fraccionamiento de hidrocarburos” ha creado una nueva forma de formar las capas separadoras en membranas poliméricas para separaciones moleculares. Este avance radica en la manera en que se añade el agente reticulante a la película polimérica durante la fabricación de la membrana. El trabajo se publica en la revista Science.
El resultado es una tecnología de membranas escalable capaz de separar mezclas orgánicas complejas en fracciones valiosas con una eficiencia sin precedentes. Estas membranas combinan una selectividad molecular extremadamente alta con un transporte de líquidos rápido, una combinación que durante mucho tiempo ha eludido a los científicos e ingenieros que trabajan en este campo.
Repensar un proceso centenario
El refinado convencional de petróleo crudo se basa en la destilación térmica, un proceso que consume enormes cantidades de energía y representa alrededor del 1% del consumo energético mundial. Si bien las tecnologías de membrana han prometido durante mucho tiempo una alternativa mucho más eficiente energéticamente, su adopción industrial se ha visto limitada por desafíos fundamentales relacionados con los materiales.
“En principio, las membranas pueden realizar la misma función que la destilación o la evaporación, utilizando mucha menos energía”, explica el investigador principal Andrew Livingston, profesor de ingeniería química y vicepresidente de investigación e innovación de la Universidad Queen Mary de Londres, y director ejecutivo de Exactmer.
“El problema ha sido encontrar materiales que sean a la vez rápidos y selectivos cuando se exponen a mezclas reales de hidrocarburos”.
Bloqueo de poros a nanoescala
El avance más significativo que se describe en este estudio reside en una nueva forma de fabricar membranas poliméricas de manera que sus poros a nanoescala queden “bloqueados” en su lugar durante su formación. Los investigadores se centraron en polímeros de microporosidad intrínseca, materiales conocidos por su estructura esponjosa que contiene poros subnanométricos. Si bien estos poros son ideales para separar moléculas por tamaño y tipo, los polímeros normalmente se hinchan al exponerse a hidrocarburos, lo que provoca que los poros se expandan y pierdan selectividad.
Para superar este problema, el equipo desarrolló un método de reticulación in situ que estabiliza la estructura del polímero mientras se forma la membrana. Este proceso fija los poros en su configuración óptima, produciendo lo que los investigadores denominan polímeros de microporosidad intrínseca bloqueada (PLIM).
“La clave consistía en estabilizar la estructura antes de que el polímero tuviera la oportunidad de hincharse”, explica el Dr. Zhiwei Jiang, quien dirigió la investigación como jefe de investigación de membranas en Exactmer y que ahora es profesor asistente en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur.
“Esto preserva los diminutos poros que posibilitan la separación molecular, al tiempo que permite que los hidrocarburos fluyan a través de ellos muy rápidamente”.
Para investigar los orígenes moleculares del bloqueo, el equipo de la UCL, dirigido por el Dr. Foglia, utilizó la dispersión cuasielástica de neutrones en la fuente de neutrones y muones ISIS, la instalación nacional de neutrones pulsados del Reino Unido y una herramienta inigualable para estudiar la dinámica de las cadenas de polímeros.
Rendimiento excepcional en los flujos de petróleo crudo y refinería.
En pruebas realizadas con petróleo crudo sintético, las membranas PLIM mostraron una permeabilidad hasta 10 veces superior a la de las membranas de última generación existentes, manteniendo al mismo tiempo una alta selectividad. Estas membranas fueron capaces de discriminar eficazmente entre moléculas de hidrocarburos que difieren solo ligeramente en tamaño.
En pruebas realizadas con petróleo crudo Arabian Extra Light real, las membranas:
- Eliminaron el 99,8% de los hidrocarburos con más de 15 átomos de carbono.
- Redujeron los compuestos que contienen azufre en un 93%, un paso fundamental para proteger los catalizadores y equipos posteriores.
Las membranas también mostraron un rendimiento especialmente bueno con corrientes de refinería, como la nafta virgen. En estas pruebas, separaron eficazmente los hidrocarburos ligeros (C4–C6), aptos para la mejora de combustibles, de las fracciones más pesadas de nafta utilizadas para producir plásticos y productos químicos, todo ello con permeabilidades comparables a las de las membranas de desalinización comerciales.
Diseñado para escalar
Fundamentalmente, los investigadores demostraron que las membranas se pueden fabricar a gran escala. Mediante un proceso de rollo a rollo, produjeron láminas de más de un metro de ancho y las integraron en módulos de membrana enrollados en espiral estándar, comúnmente utilizados en la industria.
“Estas membranas no son meras curiosidades de laboratorio”, afirmó el Dr. Adam Oxley, primer autor del artículo de investigación y actual vicepresidente adjunto de membranas en Exactmer. “Se pueden producir utilizando técnicas de fabricación consolidadas e integrarse en los diseños de módulos industriales existentes. En Exactmer, estamos incorporando estas nuevas técnicas a las membranas que se utilizan para separaciones de alto valor en disolventes orgánicos”.
Las pruebas a largo plazo demostraron un rendimiento estable durante 30 días de funcionamiento continuo, lo que indica un gran potencial para su implementación industrial real.
Un camino más sostenible para el refinamiento
Si bien el sistema energético mundial está transitando hacia alternativas con bajas emisiones de carbono, persiste la demanda de combustibles, productos químicos, disolventes y materiales derivados de hidrocarburos. Por lo tanto, mejorar la eficiencia de los procesos de separación existentes es fundamental para reducir las emisiones durante el período de transición.
Al permitir separaciones basadas en membranas que son a la vez rápidas y selectivas, la tecnología PLIM podría permitir a industrias que van desde el refinado de petróleo hasta la farmacéutica:
- Reduzca drásticamente el consumo de energía.
- Reducir las emisiones de carbono.
- Operar con unidades de procesamiento más pequeñas y flexibles.
- Integrar la desulfuración selectiva en una etapa más temprana del proceso de refinación.
Los investigadores señalan que el mismo concepto de bloqueo de poros podría extenderse a otros desafíos de separación de líquidos, incluyendo la fabricación de productos químicos, la recuperación de solventes y las materias primas emergentes de base biológica.
Mirando hacia adelante
El equipo está explorando disolventes más ecológicos para la fabricación de membranas e investigando cómo se podrían implementar las membranas PLIM en procesos híbridos específicos junto con la infraestructura de refinería existente y la fabricación de productos farmacéuticos de alto valor en disolventes orgánicos.
“Este trabajo demuestra que la separación molecular mediante membranas en líquidos orgánicos ya no es solo una posibilidad teórica”, afirmó Livingston. “Con el diseño de materiales adecuado, puede ser rápida, selectiva, escalable y estar lista para su aplicación industrial”.
El Dr. Zachary P. Smith, profesor asociado de ingeniería química del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), afirmó: “Como bien saben todos los químicos, “lo semejante disuelve a lo semejante”. Entonces, ¿cómo se pueden separar líquidos de hidrocarburos utilizando un polímero de hidrocarburos sin que este se disuelva durante su uso? Livingston y su equipo han desarrollado un método para “fijar” sus polímeros, lo que los hace estables en condiciones agresivas”.
“Más aún, han demostrado que este enfoque funciona con algunos de los polímeros emergentes más novedosos e innovadores en la ciencia de las membranas, lo que ayuda a impulsar el campo hacia áreas de aplicación inexploradas”.
Ryan P. Lively, profesor de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular del Instituto Tecnológico de Georgia, añadió:
“Una de las principales barreras tecnológicas para la implementación de membranas en el refinado de petróleo crudo era la bajísima productividad de las unidades de membrana. Las membranas desarrolladas en la investigación de Livingston son más de 100 veces más productivas que los materiales de membrana de primera generación; el hecho de que esto se haya logrado junto con una mayor eficiencia de separación es un logro extraordinario”.
“La composición de la capa selectiva de la membrana es interesante. Ya se habían considerado las cadenas poliméricas utilizadas, así como los polímeros reticulados, pero la combinación especial que descubrió el equipo dio en el clavo en términos de rendimiento de la membrana”.
“El hecho de poder pasar de una pequeña prueba con un sello postal a un módulo de membrana de tamaño real en tan poco tiempo indica que las perspectivas para el refinado de petróleo mediante membranas son prometedoras. De hecho, este artículo y otros en la literatura académica siguen indicando que existen beneficios económicos y ambientales reales al avanzar en el uso de membranas para el refinado de petróleo a escalas cada vez mayores”.
Fuente: Tech Xplore.
