Los ingenieros del MIT desarrollaron una membrana, en la foto, que filtra los componentes del petróleo crudo por su tamaño molecular, un avance que podría reducir drásticamente la cantidad de energía necesaria para el fraccionamiento de petróleo crudo. 

Separar el petróleo crudo en productos como gasolina, diesel y aceite de calefacción es un proceso intensivo de energía que representa aproximadamente el 6% de las emisiones de CO2 del mundo. La mayor parte de esa energía entra en el calor necesario para separar los componentes por su punto de ebullición.

En un avance que podría reducir drásticamente la cantidad de energía necesaria para el fraccionamiento del petróleo crudo, los ingenieros del MIT han desarrollado una membrana que filtra los componentes del petróleo crudo por su tamaño molecular.

“Esta es una forma completamente nueva de imaginar un proceso de separación. En lugar de hervir mezclas para purificarlas, ¿por qué no separar componentes basados ​​en la forma y el tamaño? La innovación clave es que los filtros que desarrollamos pueden separar moléculas muy pequeñas a una escala de longitud atomista”, dice Zachary P. Smith, un profesor asociado de ingeniería química en MIT y el autor senior del nuevo estudio.

La nueva membrana de filtración puede separar eficientemente los componentes pesados ​​y ligeros del aceite, y es resistente a la hinchazón que tiende a ocurrir con otros tipos de membranas de separación de aceite. La membrana es una película delgada que se puede fabricar utilizando una técnica que ya se usa ampliamente en procesos industriales, lo que potencialmente permite que se amplíe para un uso generalizado.

Taehoon Lee, un ex postdoc de MIT que ahora es profesor asistente en la Universidad Sungkyunkwan en Corea del Sur, es el autor principal de The Paper, que aparece hoy en Science.

Fraccionamiento de petróleo

Los procesos convencionales impulsados ​​por el calor para fraccionar el petróleo crudo representan aproximadamente el 1% del uso de energía global, y se ha estimado que el uso de membranas para la separación del petróleo crudo podría reducir la cantidad de energía necesaria en aproximadamente el 90%. Para que esto tenga éxito, una membrana de separación debe permitir que los hidrocarburos pasen rápidamente y que filtren 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 (PIMS), incluida una conocida como PIM-1. Aunque este material poroso permite el rápido transporte de hidrocarburos, tiende a absorber excesivamente algunos de los compuestos orgánicos a medida que pasan a través de la membrana, lo que lleva a la película a olearse, lo que perjudica su capacidad de talla de tamaño.

Para crear una mejor alternativa, el equipo del MIT decidió intentar modificar polímeros que se usan para la desalinización de agua de 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%, una notable historia de éxito industrial.

La membrana más utilizada para la desalinización del agua es una poliamida que se fabrica utilizando un método conocido como polimerización interfacial. Durante este proceso, una película de polímero delgada se forma en la interfaz entre el agua y un disolvente orgánico como el hexano. El agua y el hexano normalmente no se mezclan, pero en la interfaz entre ellos, una pequeña cantidad de compuestos disueltos en ellos puede reaccionar entre sí.

En este caso, un monómero hidrofílico llamado MPD, que se disuelve en agua, reacciona con un monómero hidrofóbico llamado TMC, que se disuelve en hexano. Los dos monómeros están unidos por una conexión conocida como unión de amida, formando una película delgada de poliamida (llamada MPD-TMC) en la interfaz de agua-hexano.

Si bien es altamente efectivo para la desalinización del agua, MPD-TMC no tiene los tamaños de los poros correctos y la resistencia a la hinchazón que le permitiría separar los hidrocarburos.

Para adaptar el material para separar los hidrocarburos que se encuentran en el petróleo crudo, los investigadores modificaron primero la película cambiando el enlace que conecta los monómeros de un enlace de amida a un enlace de 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 la contraparte de poliamida.

“El material de poliimina tiene porosidad que se forma en la interfaz, y debido a la química de reticulación que hemos agregado, ahora tienes algo que no se hincha”, dice Smith. “Lo logras en la fase de petróleo, lo reacciona en la interfaz de agua y con los enlaces cruzados, ahora está inmovilizado. Y por lo tanto, esos poros, incluso cuando están expuestos a hidrocarburos, ya no se hinchan como otros materiales”.

Los investigadores también introdujeron un monómero llamado Triptycene. Esta molécula molecularmente selectiva de forma de forma ayuda aún más a las poliiminas resultantes a formar poros que son del tamaño correcto para que se ajusten los hidrocarburos.

Este enfoque representa “un paso importante hacia la reducción del consumo de energía industrial”, dice Andrew Livingston, profesor de ingeniería química en la Universidad Queen Mary de Londres, que no participó en el estudio.

“Este trabajo toma la tecnología de caballo de batalla de la industria de la desalinización de la membrana, la polimerización interfacial, y crea una nueva forma de aplicarla a sistemas orgánicos como materias primas de hidrocarburos, que actualmente consumen grandes fragmentos de energía global”, dice Livingston.

“El enfoque imaginativo que utiliza un catalizador interfacial junto con monómeros hidrófobos conduce a membranas con alta permeanza y excelente selectividad, y el trabajo muestra cómo se pueden usar en separaciones relevantes”.

Separación eficiente

Cuando los investigadores usaron la nueva membrana para filtrar una mezcla de tolueno y triisopropilbenceno (TUPB) como un punto de referencia para evaluar el rendimiento de la separación, pudo lograr una concentración de tolueno 20 veces mayor que su concentración en la mezcla original.

También probaron la membrana con una mezcla industrialmente relevante que consiste en nafta, queroseno y diesel, y descubrieron que podría separar eficientemente los compuestos más pesados ​​y más ligeros por su tamaño molecular.

Si se adapta para uso industrial, se podría usar una serie de estos filtros para generar una mayor concentración de los productos deseados en cada paso, dicen los investigadores.

“Se puede imaginar que con una membrana como esta, podría tener una etapa inicial que reemplace una columna de fraccionamiento de petróleo crudo. Puede dividir moléculas pesadas y ligeras y luego podría usar diferentes membranas en una cascada para purificar mezclas complejas para aislar los productos químicos que necesita”, dice Smith.

La polimerización interfacial ya se usa ampliamente para crear membranas para la desalinización del agua, y los investigadores creen que debería ser posible adaptar esos procesos para producir en masa las películas que diseñaron en este estudio.

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Fuente: La Velez.