Muchas de las tecnologías prometedoras actualmente en desarrollo pueden reducir el consumo de energía o obtener carbono en áreas como la biotecnología, la informática, la nanotecnología, la ciencia de materiales, etc. Si bien no todas las cosas resultarán viables, solo una pequeña cantidad de fondos Con el entrenamiento, muchas personas pueden ayudar a resolver los grandes desafíos de este planeta.
Una de esas soluciones está surgiendo de un nuevo enfoque para las separaciones industriales en el Departamento de Ingeniería Química del Instituto de Tecnología de Massachusetts, donde el profesor Zachary Smith está trabajando en nuevas membranas de polímeros que reducen en gran medida el uso de energía en las separaciones químicas. También está llevando a cabo más estudios para mejorar el rendimiento de las películas de polímero en marcos orgánicos de metal a nanoescala (MOF).
Joseph R Mares (1924) Zachary Smith, Profesor Asociado de Desarrollo de Carrera de Ingeniería Química. Fuente: David Sella
"No solo creamos y analizamos materiales a partir de los fundamentos del transporte, la termodinámica y la reactividad, sino que comenzamos a aplicar este conocimiento para crear modelos y diseñar nuevos materiales que nunca antes habían estado disponibles", dijo Smith. "Es emocionante pensarlo desde el laboratorio hasta la producción en masa y su impacto en la sociedad".
Smith menudo intercambiar ideas con expertos de la industria en la técnica de separación. A pesar de la retirada de Estados Unidos del acuerdo sobre el clima de París 2015, pero hasta ahora este acuerdo siguen siendo válidas. Smith se centró en la industria química y petroquímica comenzó a sentir la presión para reducir las emisiones. Utilice a la calefacción independiente y torres de refrigeración requieren mucha energía, y la construcción y el mantenimiento cuesta Gao Ang, por lo que la industria también está buscando formas de reducir los costos.
Smith dijo que los procesos industriales en las industrias química y petroquímica consumen de un cuarto a un tercio de la energía total de EE. UU., Mientras que la separación industrial representa la mitad de la energía consumida, y aproximadamente la mitad de la energía utilizada para la separación proviene de la rectificación, que Un proceso requiere calor extremo, ya sea en el caso de la destilación criogénica o incluso de un enfriamiento extremo con mayor consumo de energía.
"Se necesita mucha energía para hervir y volver a hervir la mezcla y es menos eficiente porque requiere transiciones de fase", dijo Smith. "Las técnicas de separación de membrana pueden evitar estas transiciones de fase y utilizar menos energía. Defectuoso, puede convertirlos en películas selectivas de 100 nm de espesor que cubren un campo de fútbol.
Sin embargo, todavía hay muchas dificultades: la separación de membranas solo se usa para una pequeña parte del proceso de separación de gases industriales porque las membranas de polímeros a menudo son ineficientes y no pueden igualar el rendimiento de la destilación ", dijo Smith." Las membranas actuales no proporcionan una producción adecuada Las cantidades (llamadas fundentes) se utilizan en aplicaciones de gran volumen y sus propiedades químicas y físicas no son estables cuando se usan corrientes de alimentación más agresivas.
La mayoría de estos problemas de rendimiento se deben a fenómenos que el polímero tiende a ser amorfo o entrópico. "Los polímeros son fáciles de mecanizar para formar geometrías útiles, pero la distancia que las moléculas pueden recorrer a través de la película de polímero cambia con el tiempo". Smith Dijo: "Es difícil controlar el volumen libre dentro del estado poroso".
Para enfrentar este desafío, Smith Laboratory está tratando de agregar características y química a nanoescala a los polímeros para lograr separaciones de grano más fino, la dimensión de separación opcional más exigente de solo una fracción de moléculas, dijo Smith. Los nuevos materiales pueden 'absorber' una molécula y rechazar otra '.
En un esfuerzo por crear membranas de polímeros de mayor rendimiento y mayor selectividad, el equipo de Smith ahora está rediseñando las nuevas estructuras ordenadas polímero-plantilla desarrolladas en los laboratorios MIT en polímeros amorfos tradicionalmente desordenados, Explicado, "Entonces, usamos un bolsillo a nanoescala para post-síntesis para crear una ruta de difusión".
Aunque laboratorio de Smith en una serie de éxito técnico, pero para lograr las aplicaciones de alto rendimiento con deseados sigue siendo un desafío debido a la industria química y petroquímica utiliza más de 200 diferentes tipos de procesos de separación por destilación, lo que hace que el problema se complica Sin embargo, también es una ventaja que cuando se introducen nuevas tecnologías, los investigadores pueden buscar nichos en lugar de intentar cambiar la industria de la noche a la mañana.
"Estamos buscando los objetivos más influyentes", dijo Smith. "Nuestra tecnología de película delgada cubre un área pequeña para que pueda usarlos en áreas remotas o plataformas marinas".
Dado que la película es pequeño, peso ligero, que se ha utilizado en la separación de membrana aviones de nitrógeno del aire. A continuación se utilizó el nitrógeno al recubrir el tanque con el fin de evitar que estalla en remotas pozos de gas natural, la membrana también se utiliza para eliminar el dióxido de carbono, y tiene algunos de los más grandes aplicaciones petroquímicas (por ejemplo, separación de hidrógeno) encontrar un lugar adecuado.
El objetivo de Smith es ampliar a la columna hasta equipo de destilación criogénica, que requiere una enorme energía para producir refrigeración extrema en la industria petroquímica, incluyendo etileno - etano, nitrógeno - separación de metano y aire son muchos bienes de consumo de plástico de etileno en, lo que reduce los costos de energía en el proceso de fabricación puede traer grandes beneficios.
'Por destilación criogénica, no sólo para separar las propiedades termodinámicas de tamaño y similares moléculas similares' Smith dijo:' altura de la columna de destilación puede alcanzar 200 o 300 pies, la velocidad de flujo es muy alta, por lo que el coste de separación podría llegar a mil millones de dólares, para mantener el vacío Y la energía requerida para operar el sistema a -120 grados Celsius es enorme.
Otras aplicaciones potenciales para las membranas de polímeros incluyen encontrar otras formas de eliminar el dióxido de carbono del nitrógeno o el metano o separar diferentes tipos de parafina o materia prima química, dijo Smith.
captura y almacenamiento de carbono también son posibles gama de aplicaciones, dijo: 'Si hay capturar el dióxido de motor económico de carbono hoy, será el mayor volumen de captura de carbono multiplicado por 10 veces la cantidad de película se puede fabricar el material similar a una esponja que absorbe el dióxido de carbono. , Y efectivamente separarlo para presurizarlo y almacenarlo bajo tierra.
Uno de los retos de usar la película de polímero de separación de gas está hecha de un polímero de hidrocarburo es típicamente Smith dice: "Si ustedes, polímeros que contienen componentes de hidrocarburos del mismo tipo, entonces el polímero le tratando de separar Hinchazón, disolución o pérdida de separación. Nos gustaría introducir componentes no hidrocarbonados como flúor en el polímero para que la membrana interactúe mejor con la mezcla a base de hidrocarburos ".
Tratar de añadir Smith MOF (compuesto estructural organometálico) al polímero. Los iones metálicos o agrupaciones de metales por un MOF conector orgánico conectados juntos para formar un hidrocarburo no sólo puede resolver el problema, sino que también pueden resolver el problema de los trastornos de entropía.
'Hacer que el material MOF está formada por una, estructura cristalina de dos o tres dimensiones de la porosidad permanente.', Dice Smith. 'Cucharadita MOF superficie interior de un campo de fútbol tan grande que se puede tener en cuenta la función de la superficie interior del MOF seleccionado de unión o rechazar ciertas moléculas, se puede definir la forma y la geometría del agujero para permitir que una molécula es rechazada por la otra. '
A diferencia de los polímeros, los MOF por lo general no cambia la forma de la estructura, por lo que con el paso del tiempo, los más agujeros para mantener duradera otra Smith dijo: 'No son tan cierta degradación del polímero por el envejecimiento desafío que enfrentamos es cómo el material cristalino puede ser hecho en un proceso de película delgada, un método es que están tomando como nanopartículas MOF dispersas en el polímero, le permitiría MOF manteniendo al mismo tiempo un uso completo de la eficiencia y la productividad MOF. '
Una ventaja potencial de la introducción de la película de polímero se mejora MOF proceso de intensificación: diferente proceso catalítico de unión o en una etapa separada para conseguir una mayor eficiencia Smith dice: "Se puede considerar la combinación de uno capaz de separar el gas mezclado y la mezcla se dejó simultáneamente reacción catalítica de MOF. Algunos MOF también puede ser utilizado como un agente de reticulación, en lugar de utilizar directamente un polímero reticulado juntos. se puede establecer vínculos entre dispersadas en la matriz de polímero partículas MOF, que creará separación más estabilidad '.
Debido a su naturaleza porosa, es probable que los MOF se usen para 'capturar hidrógeno, metano y, en algunos casos, capturar dióxido de carbono', dijo Smith. 'Se puede lograr una gran absorción si se hace el tipo correcto de estructura tipo esponja Sin embargo, encontrar un material que pueda unir selectivamente uno de estos componentes con una capacidad muy alta es un desafío.
Una aplicación similar de MOF alimenta el hidrógeno o el gas natural de los automóviles, Smith dijo: "El uso de materiales porosos en un tanque de combustible le permite contener más hidrógeno o metano.
Smith advierte que los estudios de MOF pueden tomar décadas para producir resultados, pero todavía queda un largo camino por recorrer en su investigación de polímeros en el laboratorio y se espera que tenga una solución comercial en los próximos cinco a 10 años.
Él dijo: 'Este estudio puede ser un verdadero cambio de juego'.