Tecnologia Científica

Uma maneira melhor de separar gases
Um novo material de membrana pode tornar a purificação de gases significativamente mais eficiente, potencialmente ajudando a reduzir as emissões de carbono.
Por David L. Chandler - 26/03/2022


Um novo material de membrana, retratado aqui, pode tornar a purificação de gases significativamente mais eficiente, potencialmente ajudando a reduzir as emissões de carbono. Cortesia dos pesquisadores

Processos industriais para separações químicas, incluindo purificação de gás natural e produção de oxigênio e nitrogênio para uso médico ou industrial, são coletivamente responsáveis ​​por cerca de 15% do uso de energia do mundo. Eles também contribuem com uma quantidade correspondente para as emissões mundiais de gases de efeito estufa. Agora, pesquisadores do MIT e da Universidade de Stanford desenvolveram um novo tipo de membrana para realizar esses processos de separação com aproximadamente 1/10 do uso de energia e emissões.

O uso de membranas para separação de produtos químicos é conhecido por ser muito mais eficiente do que processos como destilação ou absorção, mas sempre houve uma troca entre permeabilidade - a rapidez com que os gases podem penetrar no material - e seletividade - a capacidade de deixar as moléculas desejadas passar enquanto bloqueia todos os outros. A nova família de materiais de membrana, baseada em polímeros de “escada de hidrocarboneto”, supera essa compensação, proporcionando alta permeabilidade e seletividade extremamente boa, dizem os pesquisadores.

Os resultados são relatados hoje na revista Science , em um artigo de Yan Xia, professor associado de química em Stanford; Zachary Smith, professor assistente de engenharia química no MIT; Ingo Pinnau, professor da Universidade de Ciência e Tecnologia Rei Abdullah, e outros cinco.

A separação de gases é um processo industrial importante e difundido, cujos usos incluem a remoção de impurezas e compostos indesejados do gás natural ou biogás, separação de oxigênio e nitrogênio do ar para fins médicos e industriais, separação de dióxido de carbono de outros gases para captura de carbono e produção de hidrogênio para uso como combustível de transporte isento de carbono. As novas membranas de polímero em escada são promissoras para melhorar drasticamente o desempenho de tais processos de separação. Por exemplo, separando o dióxido de carbono do metano, essas novas membranas têm cinco vezes a seletividade e 100 vezes a permeabilidade das membranas celulósicas existentes para esse fim. Da mesma forma, eles são 100 vezes mais permeáveis ​​e três vezes mais seletivos para separar o gás hidrogênio do metano.

O novo tipo de polímeros, desenvolvido ao longo dos últimos anos pelo laboratório Xia, são chamados de polímeros em escada porque são formados a partir de fitas duplas conectadas por ligações semelhantes a degraus, e essas ligações proporcionam um alto grau de rigidez e estabilidade ao material polimérico. Esses polímeros de escada são sintetizados por meio de uma química eficiente e seletiva que o laboratório de Xia desenvolveu chamada CANAL, um acrônimo para anulação catalítica de areno-norborneno, que costura produtos químicos prontamente disponíveis em estruturas de escada com centenas ou até milhares de degraus. Os polímeros são sintetizados em uma solução, onde formam fitas rígidas e dobradas que podem ser facilmente transformadas em uma folha fina com poros em escala subnanométrica usando processos de fundição de polímeros disponíveis industrialmente. Os tamanhos dos poros resultantes podem ser ajustados através da escolha dos compostos iniciais de hidrocarbonetos específicos. “Essa química e a escolha de blocos de construção químicos nos permitiram fazer polímeros de escada muito rígidos com diferentes configurações”, diz Xia.

Para aplicar os polímeros CANAL como membranas seletivas, a colaboração fez uso da experiência de Xia em polímeros e da especialização de Smith em pesquisa de membranas. Holden Lai, um ex-aluno de doutorado de Stanford, realizou grande parte do desenvolvimento e exploração de como suas estruturas afetam as propriedades de permeação de gás. “Demoramos oito anos desde o desenvolvimento da nova química até encontrar as estruturas poliméricas certas que conferem o alto desempenho de separação”, diz Xia.

O laboratório Xia passou os últimos anos variando as estruturas dos polímeros CANAL para entender como suas estruturas afetam seu desempenho de separação. Surpreendentemente, eles descobriram que a adição de dobras adicionais aos seus polímeros CANAL originais melhorou significativamente a robustez mecânica de suas membranas e aumentou sua seletividade para moléculas de tamanhos semelhantes, como gases de oxigênio e nitrogênio, sem perder a permeabilidade do gás mais permeável. A seletividade realmente melhora à medida que o material envelhece. A combinação de alta seletividade e alta permeabilidade faz com que esses materiais superem todos os outros materiais poliméricos em muitas separações de gases, dizem os pesquisadores.

Hoje, 15% do uso global de energia vai para separações químicas, e esses processos de separação são “muitas vezes baseados em tecnologias centenárias”, diz Smith. “Eles funcionam bem, mas têm uma enorme pegada de carbono e consomem enormes quantidades de energia. O principal desafio hoje é tentar substituir esses processos insustentáveis”. A maioria desses processos requer altas temperaturas para soluções de ebulição e refervura, e esses geralmente são os processos mais difíceis de eletrificar, acrescenta.

Para a separação de oxigênio e nitrogênio do ar, as duas moléculas diferem em tamanho apenas em cerca de 0,18 angstroms (dez bilionésimos de metro), diz ele. Fazer um filtro capaz de separá-los com eficiência “é incrivelmente difícil de fazer sem diminuir o rendimento”. Mas os novos polímeros de escada, quando fabricados em membranas, produzem poros minúsculos que atingem alta seletividade, diz ele. Em alguns casos, 10 moléculas de oxigênio permeiam para cada nitrogênio, apesar da peneira fina necessária para acessar esse tipo de seletividade de tamanho. Esses novos materiais de membrana têm “a mais alta combinação de permeabilidade e seletividade de todos os materiais poliméricos conhecidos para muitas aplicações”, diz Smith.

“Como os polímeros CANAL são fortes e dúcteis, e por serem solúveis em certos solventes, eles podem ser dimensionados para implantação industrial dentro de alguns anos”, acrescenta. Uma empresa derivada do MIT chamada Osmoses, liderada pelos autores deste estudo, venceu recentemente a competição de empreendedorismo de US$ 100 mil do MIT e foi parcialmente financiada pelo The Engine para comercializar a tecnologia.

Há uma variedade de aplicações potenciais para esses materiais na indústria de processamento químico, diz Smith, incluindo a separação de dióxido de carbono de outras misturas de gases como forma de redução de emissões. Outra possibilidade é a purificação do biogás combustível feito a partir de resíduos agrícolas para fornecer combustível de transporte livre de carbono. A separação de hidrogênio para a produção de combustível ou matéria-prima química também pode ser realizada de forma eficiente, ajudando na transição para uma economia baseada no hidrogênio.

A equipe unida de pesquisadores continua refinando o processo para facilitar o desenvolvimento de laboratório para escala industrial e para entender melhor os detalhes de como as estruturas macromoleculares e o empacotamento resultam na seletividade ultra-alta. Smith diz que espera que essa tecnologia de plataforma desempenhe um papel em vários caminhos de descarbonização, começando com a separação de hidrogênio e captura de carbono, porque há uma necessidade premente dessas tecnologias para fazer a transição para uma economia livre de carbono.

“Estas são novas estruturas impressionantes que têm um excelente desempenho de separação de gases”, diz Ryan Lively, professor associado de engenharia química e biomolecular da Georgia Tech, que não esteve envolvido neste trabalho. “É importante ressaltar que esse desempenho é aprimorado durante o envelhecimento da membrana e quando as membranas são desafiadas com misturas concentradas de gases. … Se eles puderem dimensionar esses materiais e fabricar módulos de membrana, haverá um impacto prático potencial significativo.”

A equipe de pesquisa também incluiu Jun Myun Ahn e Ashley Robinson em Stanford, Francesco Benedetti no MIT, agora diretor executivo da Osmoses, e Yingge Wang na Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah na Arábia Saudita. O trabalho foi apoiado pela Stanford Natural Gas Initiative, pela Sloan Research Fellowship, pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, pelo Escritório de Ciências da Energia Básica e pela National Science Foundation.

 

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