Combinando las propiedades de adsorción de los sólidos con las capacidades de disolución de los líquidos, los investigadores han desarrollado un material versátil y eficaz para mejorar la separación del oxígeno en los gases. Además de aumentar el suministro de oxígeno barato, están desarrollando sus materiales para separar diferentes tipos de gases, ampliando su uso en la industria y potencialmente controlando los gases de efecto invernadero.
La separación eficiente de gases es esencial en diversas industrias, desde aplicaciones médicas hasta la producción de energía. Sin embargo, separar el oxígeno de la mezcla presenta un desafío técnico importante. Debido a que muchos gases, incluidos el argón y el oxígeno, comparten propiedades físicas similares, son difíciles de separar. Ahora, Ryotaro Matsuda y su equipo de la Universidad de Nagoya han desarrollado una estructura organometálica (MOF) porosa única, que representa un nuevo enfoque para la separación de gases: “adsorción” y “disolución”, un fenómeno común que ellos llaman “adasorción”. . mecanismo de disolución”. Sus resultados fueron publicados en Comunicaciones de la naturaleza.
Las técnicas de separación de gases dependen tradicionalmente de dos propiedades: la capacidad de los materiales para adsorber gases en poros de tamaño nanométrico o la capacidad de los gases para disolverse en líquidos. Sin embargo, cada método tiene limitaciones. La adsorción eficiente de gases por sólidos porosos como la zeolita y el carbón activado se ve obstaculizada por su incapacidad para eliminar selectivamente ciertos gases como el oxígeno y el argón, lo que limita sus posibles aplicaciones. Por otro lado, algunos líquidos pueden disolver gases eficazmente, pero son difíciles de manejar en aplicaciones industriales debido a su naturaleza líquida.
Los MOF sólidos porosos a menudo se combinan con compuestos para formar materiales superabsorbentes. Matsuda y sus colegas utilizaron esta propiedad para combinar un material MOF con perfluorocarbonos, líquidos que tienen una alta afinidad por el oxígeno, creando una estructura que absorbe las moléculas de oxígeno en sus poros. Los perfluorocarbonos ayudan en la disolución, lo que junto con el MOF crea una poderosa fuerza de disolución del adsorbente, lo que hace que la separación de gases sea altamente eficiente y selectiva.
“Los procesos de absorción y disolución han sido reconocidos como fenómenos esencialmente separados debido a la diferente naturaleza de los medios utilizados en este caso, sólido y líquido”, dijo Matsuda. “Nuestro material tiene poros densamente llenos de cadenas de perfluoroalquilo, que crean un conjunto de comportamientos que llamamos comportamientos de ‘disolución adsortiva'”.
El grupo utilizó con éxito su material para separar argón y oxígeno, dos elementos normalmente difíciles de separar. Produjeron oxígeno puro, un elemento con muchos usos industriales. “En industrias como la siderurgia, la combustión y las reacciones químicas requieren oxígeno de alta pureza, mientras que en entornos médicos, el oxígeno concentrado es esencial para el tratamiento, especialmente de pacientes con problemas respiratorios”, afirmó Matsuda For.
El grupo espera que su tecnología se utilice en industrias que requieren una forma energéticamente eficiente de concentrar el oxígeno del aire. Dado que estos procesos actualmente consumen mucha energía, sus resultados pueden reducir tanto los costos operativos como el impacto ambiental. En entornos médicos, en particular, el enriquecimiento de oxígeno puede mejorar la atención al paciente y reducir el uso de tanques de oxígeno costosos y voluminosos.
Las posibles aplicaciones de este nuevo material van más allá de la separación de oxígeno. Matsuda dijo que el fenómeno de la “disolución absorbente” se puede aplicar a otras tareas de separación de gases que antes se consideraban difíciles, como separar nitrógeno, dióxido de carbono o hidrógeno de mezclas complejas. “La capacidad de concentrar y separar gases abre la puerta a nuevas tecnologías en la gestión medioambiental, como la captura y el reciclaje de gases de efecto invernadero nocivos como el CO2, o la tecnología de pilas de combustible mediante la separación eficiente del hidrógeno.
Además, la eficiencia energética de este material MOF está en línea con las iniciativas globales de sostenibilidad. A medida que el mundo avanza hacia una sociedad descarbonizada, es fundamental encontrar formas de reducir el consumo de energía en los procesos industriales. Este nuevo material, a través de sus capacidades de separación de gases eficiente y selectiva, puede desempeñar un papel clave en el desarrollo de tecnologías verdes y en la reducción de la huella de carbono de las industrias que dependen en gran medida de la separación de gases.
