Investigadores del INMA diseñan una nueva membrana capaz de separar los gases contaminantes
La eliminación selectiva de gases nocivos como el sulfuro de hidrógeno (H2S) y el dióxido de carbono (CO2) del gas natural (CH4) podría llegar a ser un proceso sencillo y eficiente mediante la utilización de la membrana desarrollada por un equipo multidisciplinar de científicos del KAUST, CSIC, la Universidad ShanghaiTech y la Universidad de Montpellier, en el que ha trabajado Álvaro Mayoral, investigador del CSIC en el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón, INMA, instituto mixto del CSIC y la Universidad de Zaragoza y adscrito al LMA. La investigación ha sido publicada en la prestigiosa revista científica Science.
Tal y como nos comenta Álvaro Mayoral: “la membrana que han desarrollado es una membrana mixta compuesta por un polímero y una matriz de una material híbrido organometálico (Mixed Matrix Metal Organic Framworks, MMMOF). Las ventajas de la tecnología basada en membranas poliméricas sobre otras técnicas de separación tradicionales son el uso eficiente de la energía, lo que conlleva un menor coste, y una operación más simple y sencilla.
El trabajo desarrollado parte del entendimiento a nivel atómico del “relleno” de las membranas; en este caso el gran rendimiento de este material se basa en la alineación de las nanoláminas de los sólidos híbridos orgánico-inorgánico denominados MOF (por sus siglas en inglés) dentro del polímero y en la traslación, de manera exitosa, de las propiedades de separación del adsorbente en un compuesto procesable.
Los sólidos híbridos orgánico-inorgánico (MOF) contienen centros metálicos unidos entre sí mediante grupos orgánicos formando una red porosa tridimensional. Mediante la modificación del tamaño de poro se puede obtener así el material adecuado que permita la separación de diferentes gases en función del tamaño.
Las membranas de matriz mixta (MMM) convencionales cuentan con canales o poros orientados al azar dificultando así la separación de los gases. Para evitar esas limitaciones, los investigadores desarrollaron las membranas MMMOF en base a tres criterios: (i) un MOF fluorado (KAUST -8), como adsorbente de tamiz molecular que mejora selectivamente la difusión de H2S y CO2 mientras excluye el CH4; (ii) adaptación de la morfología del cristal MOF en nanoláminas con un canal 1D expuesto al máximo, que promueve la interacción entre la nanolámina y el polímero; y (iii) la alineación en el plano de las nanoláminas en la matriz polimérica obteniendo una membrana MMMOF uniformemente orientada.
En comparación con las MMM convencionales, la membrana MMMOF demuestra una separación mucho mejor del H2S y CO2 del gas natural en condiciones prácticas de trabajo (por ejemplo, alta presión, alta temperatura, tiempo prolongado de 30 días, etc.).
De hecho, esta membrana orientada flexible de escala centimétrica se puede considerar como una sola pieza de un cristal flexible en la que miles de nanoláminas de MOF, estudiadas a escala atómica, se alinean uniformemente en una dirección cristalográfica predefinida donde los espacias entre las mismas están ocupados por el polímero.
Referencia:
Datta, S. J., Mayoral, A., Bettahalli, N. M. S., Bhatt, P. M., Karunakaran, M., Carja, I. D., Fan, D., Mileo, P. G. M., Semino, R., Maurin, G., Terasaki, O. & Eddaoudi, M. «Rational design of mixed-matrix metal-organic framework membranes for molecular separations». Science 376, XXX, (2022). DOI: 10.1126/science.abe0192.
