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Membranas ultrafinas para capturar dióxido de carbono

Las emisiones de dióxido de carbono son un problema de primer orden y se buscan formas eficaces de capturarlo para evitar que llegue a la atmósfera. Por ejemplo, capturándolo en los procesos químicos que lo producen. Investigadores del Instituto de Nanociencia de Aragón desarrollan membranas capaces de filtrarlo separándolo, molécula a molécula, de otros gases.

Esquema de una membrana. La capa selectiva y ultrafina (a la derecha, de aproximadamente 1 micra de espesor) se expone a la mezcla que se desea separar, en este caso una mezcla de CO2 y nitrógeno (N2), y permite la separación del CO2. A la izquierda, en color sepia, aparece el soporte (de unos 0,1 mm de espesor) de la membrana, que debe proporcionar sostén mecánico al conjunto sin ofrecer apenas resistencia al paso de los gases.
Esquema de una membrana. La capa selectiva y ultrafina (a la derecha, de aproximadamente 1 micra de espesor) se expone a la mezcla que se desea separar, en este caso una mezcla de CO2 y nitrógeno (N2), y permite la separación del CO2. A la izquierda, en c
INA

La captura de dióxido de carbono es clave para controlar la presencia en la atmósfera de gases de efecto invernadero. Pero ¿cómo ‘cazarlo’? Materiales avanzados pueden actuar como adsorbentes y membranas selectivas para capturar CO2. Pero no basta que funcionen en el laboratorio; hay que escalar la solución y fabricarla. Por eso el proyecto Member (Advanced Membranes and membrane assisted processes for pre and postcombustion CO2 capture), coordinado por la Fundación Tecnalia Research & Innovation y en el que participa la Universidad de Zaragoza, se ha planificado de forma que, al final, se puedan presentar sistemas capaces de funcionar en condiciones reales.

Junto a otras 16 instituciones de nueve países, el Instituto de Nanociencia de Aragón se encarga del desarrollo de membranas. Este equipo tiene experiencia –en parte afianzada con el proyecto europeo ya finalizado M4CO2, que abrió el camino a Member– en el campo de las membranas selectivas de gases basadas en el uso de polímeros modificados con materiales microporosos. Lo forman los profesores Joaquín Coronas (IP) y Carlos Téllez, así como la investigadora Magdalena Malankowska y los estudiantes de doctorado Javier Sánchez y Lidia Martínez.

Estas membranas se basarán en el uso de los llamados MOF (‘metal-organic frameworks’), compuestos microporosos, en parte orgánicos y en parte inorgánicos, que permiten separar por tamaño las moléculas de gas. En este caso, deben ser capaces de separar dióxido de carbono tanto en condiciones de precombustión –por ejemplo, de corrientes provenientes de plantas de gasificación– como de poscombustión –en instalaciones donde se queman carbones y otros combustibles para obtener energía, pero también en plantas cementeras y acerías, que producen ingentes cantidades de dióxido de carbono–.

¿Por qué la captura de CO2 no se realiza todavía a gran escala?
La sociedad ha tomado conciencia del problema de la contaminación atmosférica en su doble versión de influencia sobre el clima y sobre la salud de los seres vivos. El CO2 es el gas de efecto invernadero que, por su gran producción, concentra todos los esfuerzos en desarrollar nuevas tecnologías basadas en el uso de membranas. Las tecnologías de membranas, que requieren esencialmente energía mecánica para realizar su función, son en su concepción más competitivas que las tradicionales, que necesitan mayores cantidades de energía, además de tener problemas intrínsecos de contaminación (como ocurre al separar el CO2 usando aminas). Estas nuevas tecnologías de membrana necesitan reducir el coste de captura de CO2 a unos 30 (precombustión) y 40 (poscombustión) euros/tonelada para poder implantarse.

¿Qué es un MOF?
Los MOF (‘metal-organic framework’) son materiales microporosos y cristalinos que actúan como filtros para gases. Son capaces de tamizar el dióxido de carbono de sus mezclas con nitrógeno (poscombustión) e hidrógeno (precombustión). La microporosidad de los MOF es restrictiva a escala molecular: unas moléculas atraviesan la membrana y otras no, dependiendo de su tamaño. De este modo, ante una mezcla de hidrógeno y CO2, los MOF permiten el paso del hidrógeno, mientras que ante otra mezcla de CO2 y nitrógeno, dejan pasar el CO2. Cuando se fabrica un material compuesto (‘composite’) MOF-polímero, este tamizado se traslada del MOF al material membrana. Como resultado se potencian las propiedades separadoras (la permeación y la selectividad) propias del polímero.

¿Por qué necesitamos membranas permeables y selectivas?
La permeación está relacionada con la producción. Cuanto más fina (por debajo de aproximadamente un micrómetro), y por tanto más permeable, es la membrana, más CO2 podrá procesar separándolo del nitrógeno o separando hidrógeno del propio CO2. Además, cuanto más permeable, menor es el tamaño del dispositivo que hay que fabricar para tratar el mismo volumen de gas.

La selectividad permite que la membrana distinga más eficientemente las moléculas de CO2 de las otras posibles sustancias que lo acompañan. De nada sirve un gran transporte no selectivo. La selectividad se basa sobre todo en los tamaños de las moléculas a separar: 0,29 nm el hidrógeno; 0,33 nm el CO2 y 0,36 nm el nitrógeno. Hay que hilar fino, pues de la más pequeña a la mayor de estas tres moléculas hay menos de un angstrom de diferencia. La membrana, en sinergia con el MOF, debe tener una estructura lo suficientemente sutil como para reconocer esa mínima diferencia.

El proyecto
NOMBRE Member (Advanced Membranes and membrane assisted processes for pre and postcombustion CO2 capture). OBJETIVO Realizar el escalado y la fabricación de materiales avanzados que puedan actuar como adsorbentes y membranas selectivas para la captura de dióxido de carbono. FINANCIACIÓN Unos 9,6 millones de euros (513.000 euros para la Universidad de Zaragoza). Horizonte 2020. SOCIOS Liderado por la fundación española Tecnalia Research & Innovation, cuenta con 17 socios de 9 países diferentes (España, Holanda, Noruega, Francia, Alemania, Italia, Suiza, Portugal y Reino Unido). PERIODO DE EJECUCIÓN 2018-2021. PÁGINA WEB Joaquín Coronas Investigador principal del proyecto Member. Instituto de Nanociencia de Aragón

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