Uso de materiales poliméricos como membranas para separación y purificación de gases

Dra. Griselda Castruita de León.

Catedrática CONACYT-CIQA.

Departamento de Materiales Avanzados.

La tecnología de membranas hechas a base de polímeros sintéticos se ha convertido en una de las alternativas más prósperas desde el punto de vista económico, técnico y ambiental para usarse en tratamientos de líquidos como aguas residuales, así como también en procesos de separación y purificación de gases de uso doméstico y de interés industrial. No obstante, el campo de aplicación de las membranas es tan extenso que también abarca áreas de la salud, farmacéutica y alimenticia.

El concepto de membrana se utiliza ampliamente en áreas de la biología, cuando se habla de membranas celulares en tejidos animales y vegetales, a través de las cuales se controla el transporte e intercambio de sustancias entre el medio interior y exterior. Gracias a esta permeabilidad selectiva de sustancias, es posible que la célula lleve a cabo las funciones esenciales para que el organismo se mantenga vivo. Es así que, una membrana se define como una barrera semipermeable que separa los componentes de un fluido, permitiendo el paso selectivo de un determinado componente y limitando el paso de otro. Basado en este principio, el concepto de membrana se ha proyectado hacia el desarrollo de novedosos sistemas de separación selectiva de gases y vapores basados en materiales poliméricos sintéticos, donde los componentes del gas alimentado son separados en una corriente de gas permeado enriquecido con el componente más permeable, mientras que los componentes menos permeables se mantienen retenidos y separados [1].

Las primeras observaciones sobre el paso de gases a través del caucho (un hule natural) datan de inicios del siglo XVIII, cuando apreciaron que globos de dicho material que eran inflados con hidrógeno colapsaban más rápidamente que aquellos que contenía aire. Esto dio lugar a que se formularan las primeras investigaciones en torno a la penetración de los gases a través de películas poliméricas y su función como membranas selectivas; y dieron como resultado el entendimiento de los fenómenos que rigen el proceso de permeación de gases en membranas poliméricas que hasta hoy en día siguen vigentes.

El aprovechamiento de las propiedades de transporte de gases de los materiales poliméricos se ha visto reflejado en tecnologías de separación basadas en membranas que han sido implementadas con éxito en operaciones de la industria química, petroquímica y energética. Entre las aplicaciones comerciales más importantes se encuentran la generación de nitrógeno, enriquecimiento de oxígeno, recuperación y purificación de hidrógeno y helio. Destacan principalmente aquellas aplicaciones que involucran la separación del dióxido de carbono, como en el caso del endulzamiento del gas natural y más recientemente, para mejorar la calidad del biogás. Las crecientes demandas de energéticos limpios y el control de las emisiones de gases de efecto invernadero han sido los factores determinantes para que dicho mercado sea considerado el de mayor expansión a nivel mundial. De acuerdo a los reportes estadísticos estiman que el mercado de membranas poliméricas para separación de gases se mantendrá en crecimiento constante, llegando a superar el billón de dólares en los siguientes 2 años.

Otros reportes interesantes ponen de manifiesto las ventajas de esta tecnología como lo son su buen desempeño, simplicidad del proceso, ahorros energéticos y menor impacto ambiental. Es por eso que se han establecido numerosas plantas de separación basadas en membranas en distintas partes de América, Europa y Medio Oriente, encaminadas al tratamiento del gas natural y biogás, y otros gases como helio, hidrógeno, etc., que se encargan de proveer a los distintos sectores consumidores. Además, la flexibilidad de esta tecnología permite que pueda combinarse con otros procesos tradicionales de separación como absorción con aminas, criogenia o adsorción por oscilación de presión (PSA, por sus siglas en inglés) con la finalidad de incrementar la eficiencia de la separación y la tasa de recuperación de la sustancia deseada. México cuenta con importantes áreas de oportunidad para la implementación de esta tecnología de separación de gases basada en membranas poliméricas en diversos sectores industriales, con lo cual la productividad podría ser más eficiente y menos contaminante.

Uno de los sectores emergentes y con grandes posibilidades para la implementación de sistemas de purificación con membranas es el tratamiento del biogás que se obtiene a partir de desechos agrícolas y ganaderos. De esta manera, el biogás (compuesto de un 50-65% de metano y de 35-50% de dióxido de carbono y otros contaminantes en pequeñas cantidades) después de purificarse da como resultado la obtención de biometano, una fuente sustentable y sostenible de energía para generar calor y que también puede ser aprovechada para producir electricidad. No obstante, todavía falta camino por recorrer para que el proceso de purificación del biogás con membranas sea del todo rentable y competitivo con respecto a otros procesos disponibles y se pronostica que en los siguientes años tome mayor impulso [2,3]. En este contexto, es importante señalar que los reportes de inteligencia tecnológica indican que en nuestro país existen muy variadas fuentes potenciales para la producción de biogás como las granjas agrícolas, bovinas y porcinas, rellenos sanitarios y aguas residuales a partir de las cuales es posible incursionar de manera más activa en la producción de biogás, como una forma de garantizar el suministro de energía a nivel nacional y contribuir a la mitigación del cambio climático [4].

El desempeño de la membrana y la eficiencia de la separación de los gases dependen fundamentalmente del polímero con el que están hechas y de sus propiedades físicas y químicas. Varios polímeros han sido utilizados en membranas, destacando de manera significativa las poliimidas, polisulfonas, poliaramidas y acetatos de celulosa. Con la intención de obtener sistemas de membranas más avanzados, que sean altamente selectivos y permeables, en la actualidad se siguen desarrollando otros derivados de las familias de polímeros antes mencionadas, que exhiban características específicas y mejoradas; así como el diseño de nuevas estructuras poliméricas que permitan modular y ajustarse a las necesidades de los procesos de separación. Esto sin duda representa el reto constante al que se enfrenta la ciencia de membranas.

Por ejemplo, diversos estudios recientes han reportado sobre el desarrollo de nuevas variantes de poliimidas, polibenzimidazoles funcionalizados y sistemas híbridos polímero-polímero o polímero-inorgánico que muestran un desempeño excepcional, con lo que se alcanzan permeabilidades muy altas y factores de separación bastante atractivos, superiores a los que exhiben las membranas comerciales para separar dióxido de carbono del metano, hidrógeno del metano, etc [5-8]. Sin embargo, se siguen perfeccionado sus características para que su costo de producción y durabilidad sean interesantes para su comercialización.

En CIQA nos hemos enfocado al diseño y obtención de materiales poliméricos con características especiales para que puedan ser usados en la preparación de membranas, analizamos sus propiedades y les realizamos estudios a nivel laboratorio para determinar su capacidad de separar los gases (Figura 1). Especialmente nos hemos enfocado en separaciones del dióxido de carbono de otros gases como el metano o el nitrógeno; las cuales puedan encontrar potencial aplicación en áreas de importancia nacional para la generación y mejor aprovechamiento de los recursos energéticos renovables y no renovables [9,10].

Figura 1. Algunas membranas planas a base de materiales poliméricos

que hemos desarrollado en CIQA.

Referencias bibliográficas:

1. A. Fauzi Ismail y col. Gas separation membranes. Polymeric and inorganic. Ed. Springer (2015)
2. S. Sahota y col. Review of trends in biogas upgradation technologies and future perspectives. Bioresource Technology Reports 1 (2018) 79
3. M. Garcia Gomes y col. Use of membranes for biogas purification: review. Holos Environment 19 (2019) 466
4. Reporte de Inteligencia Tecnológica. Biocombustibles gaseosos. https://www.gob.mx
5. N. Norahaim y col. Recent developments for CO2 separation and capture. Chemical Engineering Technology 41 (2018) 211
6. M. Chawla y col. Membranes for CO2/CH4 and CO2/N2 gas separation. Chemical Engineering Technology 43 (2020) 184
7. Y. Alcheikhamdon, M. Hoorfar. Natural gas purification from acid gases using membranes: A review of the history, features, techno-commercial challenges, and process intensification of commercial membranes Chemical Engineering & Processing: Process Intensification 120 (2017) 105
8. A. Naderi y col. H2/CO2 separation enhancement via chemical modification of polybenzimidazole nanostructure. Journal of Membrane Science 572 (2019) 343
9. A de J. Montes Luna y col. PBI/Clinoptilolite mixed-matrix membranes for binary (N2/CH4) and ternary (CO2/N2/CH4) mixed gas separation. Journal of Applied Polymer Science (2020) 50155
10. G. Castruita y col. Effect of chemically modified clinoptilolite on the thermal, morphological, and gas separation properties of mixed matrix membranes. Journal of Applied Polymer Science (2018) 45659