Investigadores del MIT han desarrollado una nueva membrana que separa diversos tipos de combustible según su tamaño molecular, lo que podría eliminar la necesidad del proceso de destilación del petróleo crudo, que consume mucha energía.
Convertir el petróleo crudo en combustibles cotidianos como la gasolina, el diésel y el gasóleo de calefacción requiere una enorme cantidad de energía. De hecho, este proceso es responsable de aproximadamente el 6 % de las emisiones mundiales de dióxido de carbono. La mayor parte de esa energía se utiliza para calentar el petróleo y separar sus componentes en función de sus puntos de ebullición.
Ahora, en un revolucionario avance, los ingenieros del MIT han creado un nuevo tipo de membrana que podría cambiar las reglas del juego. En lugar de utilizar calor, esta innovadora membrana separa el petróleo crudo filtrando sus componentes en función de su tamaño molecular.
«Se trata de una forma completamente nueva de concebir un proceso de separación. En lugar de hervir las mezclas para purificarlas, ¿por qué no separar los componentes en función de su forma y tamaño? La innovación clave es que los filtros que hemos desarrollado pueden separar moléculas muy pequeñas a escala atómica«, afirma Zachary P. Smith, profesor asociado de ingeniería química en el MIT y autor principal del nuevo estudio.
El MIT adapta tecnología de desalinización para filtrar petróleo crudo, ofreciendo una alternativa más ecológica y escalable al refinado intensivo en energía.
La nueva membrana de filtración puede separar eficazmente los componentes pesados y ligeros del petróleo, y es resistente al hinchamiento que suele producirse con otros tipos de membranas de separación de petróleo. La membrana es una película delgada que puede fabricarse utilizando una técnica que ya se utiliza ampliamente en procesos industriales, lo que podría permitir su ampliación para un uso generalizado.
Fraccionamiento del petróleo
Los procesos convencionales de fraccionamiento del petróleo crudo impulsados por calor representan alrededor del 1 % del consumo energético mundial, y se ha estimado que el uso de membranas para la separación del petróleo crudo podría reducir la cantidad de energía necesaria en aproximadamente un 90 %. Para que esto tenga éxito, una membrana de separación debe permitir que los hidrocarburos pasen rápidamente y filtrar selectivamente compuestos de diferentes tamaños.
Hasta ahora, la mayoría de los esfuerzos para desarrollar una membrana de filtración para hidrocarburos se han centrado en polímeros de microporosidad intrínseca (PIM), incluido uno conocido como PIM-1. Aunque este material poroso permite el transporte rápido de hidrocarburos, tiende a absorber excesivamente algunos de los compuestos orgánicos a medida que pasan a través de la membrana, lo que hace que la película se hinche y perjudica su capacidad de tamizado por tamaño.
Para encontrar una alternativa mejor, el equipo del MIT decidió intentar modificar los polímeros que se utilizan para la desalinización de agua por ósmosis inversa. Desde su adopción en la década de 1970, las membranas de ósmosis inversa han reducido el consumo de energía de la desalinización en aproximadamente un 90 %, lo que supone un notable éxito industrial.
La membrana más utilizada para la desalinización del agua es una poliamida que se fabrica mediante un método conocido como polimerización interfacial. Durante este proceso, se forma una fina película de polímero en la interfaz entre el agua y un disolvente orgánico como el hexano.
El agua y el hexano no se mezclan normalmente, pero en la interfaz entre ambos, una pequeña cantidad de los compuestos disueltos en ellos puede reaccionar entre sí.
En este caso, un monómero hidrófilo llamado MPD, que se disuelve en agua, reacciona con un monómero hidrófobo llamado TMC, que se disuelve en hexano. Los dos monómeros se unen mediante una conexión conocida como enlace amida, formando una fina película de poliamida (denominada MPD-TMC) en la interfaz entre el agua y el hexano.
Aunque es muy eficaz para la desalinización del agua, el MPD-TMC no tiene el tamaño de poro ni la resistencia al hinchamiento adecuados para separar los hidrocarburos.
Para adaptar el material a la separación de los hidrocarburos presentes en el petróleo crudo, los investigadores modificaron primero la película cambiando el enlace que conecta los monómeros de un enlace amida a un enlace imina. Este enlace es más rígido e hidrofóbico, lo que permite que los hidrocarburos se muevan rápidamente a través de la membrana sin causar una hinchazón notable de la película en comparación con su homólogo de poliamida.
«El material de poliimina tiene una porosidad que se forma en la interfaz y, gracias a la química de reticulación que hemos añadido, ahora se obtiene un material que no se hincha», afirma Smith. «Se fabrica en la fase oleosa, se hace reaccionar en la interfaz acuosa y, con los enlaces cruzados, queda inmovilizado. Así, esos poros, incluso cuando se exponen a hidrocarburos, ya no se hinchan como otros materiales».
Los investigadores también introdujeron un monómero llamado tripticeno. Esta molécula, de forma persistente y selectiva a nivel molecular, ayuda aún más a las poliiminas resultantes a formar poros del tamaño adecuado para que los hidrocarburos puedan pasar a través de ellos.
Inspiración en la desalinización del agua
Para construir la nueva membrana, el equipo reutilizó una tecnología de la industria del agua. Desde los años 70, las membranas de ósmosis inversa han reducido el uso energético en desalinización en un 90%.
Los científicos del MIT adaptaron estas membranas para manejar petróleo crudo. Reemplazaron un enlace de amida flexible con un enlace de imina rígido, haciendo la película más estable e hidrofóbica. Esto permite que los hidrocarburos se muevan rápidamente a través de la membrana sin causar hinchazón.
«El material de polimina tiene porosidad que se forma en la interfaz, y debido a la química de reticulación que hemos añadido, ahora tienes algo que no se hincha», explicó Smith.
Diseñada para escala industrial
La membrana utiliza un monómero llamado tripticeno para ayudar a formar poros precisos y persistentes en forma. Puede fabricarse mediante polimerización interfacial, una técnica ya escalada industrialmente. Esto abre la puerta a la producción masiva.
La ventaja principal de la polimerización interfacial es que ya es un método bien establecido para preparar membranas en purificación de agua, así que puedes imaginar adaptar estas químicas a líneas de manufactura existentes.
Resultados iniciales prometedores
La membrana destacó en pruebas de laboratorio. Aumentó la concentración de tolueno 20 veces en una mezcla con triisopropilbenceno. También separó eficazmente muestras industriales reales que contenían nafta, queroseno y diésel.
«Puedes imaginar que, con una membrana como esta, podrías tener una etapa inicial que reemplace una columna de fraccionamiento de crudo», dijo Smith.
Se podría dividir moléculas pesadas y ligeras, y luego usar diferentes membranas en cascada para purificar mezclas complejas y aislar los químicos que se necesiten. Expertos creen que esto podría ser un gran salto en eficiencia industrial.
«Este trabajo toma la tecnología fundamental de la industria de membranas para desalinización… y crea una nueva forma de aplicarla a sistemas orgánicos», dijo Andrew Livingston, profesor de ingeniería química en la Universidad Queen Mary de Londres.
