La separación del petróleo crudo en productos como gasolina, diésel y gasóleo de calefacción es un proceso de alto consumo energético que representa aproximadamente el 6 % de las emisiones mundiales de CO₂ . La mayor parte de esa energía se destina al calor necesario para separar los componentes según su punto de ebullición.

En un avance que podría reducir drásticamente la cantidad de energía necesaria para el fraccionamiento del petróleo crudo, los ingenieros del MIT han desarrollado una membrana que filtra los componentes del petróleo crudo según su tamaño molecular.

Esta es una forma completamente nueva de concebir un proceso de separación. En lugar de hervir mezclas para purificarlas, ¿por qué no separar los componentes según su forma y tamaño? La innovación clave radica en que los filtros que desarrollamos pueden separar moléculas muy pequeñas a una escala de longitud atómica, afirma Zachary P. Smith, profesor asociado de ingeniería química en el MIT y autor principal del nuevo estudio.

La nueva membrana de filtración separa eficazmente los componentes pesados ​​y ligeros del petróleo y es resistente al hinchamiento que suele producirse con otros tipos de membranas de separación de petróleo. La membrana es una película delgada que puede fabricarse mediante una técnica ya ampliamente utilizada en procesos industriales, lo que podría permitir su escalado para un uso generalizado.

Taehoon Lee, ex investigador postdoctoral del MIT que ahora es profesor asistente en la Universidad Sungkyunkwan en Corea del Sur, es el autor principal del artículo, que aparece hoy en Science.

Fraccionamiento de petróleo

Los procesos convencionales de fraccionamiento de petróleo crudo, impulsados ​​por calor, representan aproximadamente el 1 % del consumo energético mundial, y se estima que el uso de membranas para la separación de petróleo crudo podría reducir la cantidad de energía necesaria en aproximadamente un 90 %. Para que esto sea posible, una membrana de separación debe permitir el paso rápido de los hidrocarburos y filtrar selectivamente compuestos de diferentes tamaños.

Hasta ahora, la mayoría de los esfuerzos para desarrollar una membrana de filtración de hidrocarburos se han centrado en polímeros de microporosidad intrínseca (PIM), incluyendo uno conocido como PIM-1. Si bien este material poroso permite el transporte rápido de hidrocarburos, tiende a absorber excesivamente algunos compuestos orgánicos a su paso por la membrana, lo que provoca el hinchamiento de la película y reduce su capacidad de tamizado.

Para encontrar una mejor alternativa, el equipo del MIT decidió modificar los polímeros utilizados en la desalinización de agua por ósmosis inversa. Desde su adopción en la década de 1970, las membranas de ósmosis inversa han reducido el consumo energético de la desalinización en aproximadamente un 90 %, un éxito industrial notable.

La membrana más utilizada para la desalinización de agua es una poliamida fabricada mediante un método conocido como polimerización interfacial. Durante este proceso, se forma una fina película de polímero en la interfaz entre el agua y un disolvente orgánico como el hexano. El agua y el hexano normalmente no se mezclan, pero en la interfaz entre ellos, una pequeña cantidad de los compuestos disueltos en ellos puede reaccionar entre sí.

En este caso, un monómero hidrófilo llamado MPD, disuelto en agua, reacciona con un monómero hidrófobo llamado TMC, disuelto en hexano. Ambos monómeros se unen mediante un enlace amida, formando una película delgada de poliamida (denominada MPD-TMC) en la interfaz agua-hexano.

Si bien es muy eficaz para la desalinización de agua, el MPD-TMC no tiene los tamaños de poro ni la resistencia al hinchamiento adecuados que le permitirían separar hidrocarburos.

Para adaptar el material y separar los hidrocarburos presentes en el petróleo crudo, los investigadores modificaron primero la película cambiando el enlace que conecta los monómeros de un enlace amida a un enlace imino. Este enlace es más rígido e hidrofóbico, lo que permite que los hidrocarburos se desplacen rápidamente a través de la membrana sin causar un hinchamiento perceptible de la película, en comparación con la poliamida.

“El material de poliimina presenta una porosidad que se forma en la interfaz, y gracias a la química de reticulación que hemos incorporado, ahora se obtiene un material que no se hincha”, dice Smith. “Se fabrica en la fase oleosa, se reacciona en la interfaz acuosa y, gracias a las reticulaciones, queda inmovilizado. Por lo tanto, esos poros, incluso expuestos a hidrocarburos, ya no se hinchan como otros materiales”.

Los investigadores también introdujeron un monómero llamado tripticeno. Esta molécula, persistente en su forma y molecularmente selectiva, ayuda a las poliiminas resultantes a formar poros del tamaño adecuado para el paso de los hidrocarburos.

Este enfoque representa “un paso importante hacia la reducción del consumo energético industrial”, afirma Andrew Livingston, profesor de ingeniería química en la Universidad Queen Mary de Londres, que no participó en el estudio.

“Este trabajo aprovecha la tecnología más utilizada en la industria de la desalinización por membranas, la polimerización interfacial, y crea una nueva forma de aplicarla a sistemas orgánicos como las materias primas de hidrocarburos, que actualmente consumen grandes cantidades de energía global”, afirma Livingston. “El enfoque innovador, que utiliza un catalizador interfacial acoplado a monómeros hidrófobos, da como resultado membranas con alta permeabilidad y excelente selectividad, y el trabajo demuestra cómo pueden utilizarse en separaciones relevantes”.

Separación eficiente

Cuando los investigadores utilizaron la nueva membrana para filtrar una mezcla de tolueno y triisopropilbenceno (TIPB) como referencia para evaluar el rendimiento de la separación, lograron una concentración de tolueno 20 veces mayor que la de la mezcla original. También probaron la membrana con una mezcla industrialmente relevante de nafta, queroseno y diésel, y descubrieron que podía separar eficazmente los compuestos más pesados ​​y más ligeros según su tamaño molecular.

Si se adaptan para uso industrial, una serie de estos filtros podrían usarse para generar una mayor concentración de los productos deseados en cada paso, dicen los investigadores.

“Imagínense que con una membrana como esta, se podría tener una etapa inicial que reemplaza una columna de fraccionamiento de petróleo crudo. Se podrían separar moléculas pesadas y ligeras y luego usar diferentes membranas en cascada para purificar mezclas complejas y aislar las sustancias químicas necesarias”, dice Smith.

La polimerización interfacial ya se utiliza ampliamente para crear membranas para la desalinización de agua, y los investigadores creen que debería ser posible adaptar esos procesos para producir en masa las películas que diseñaron en este estudio.

“La principal ventaja de la polimerización interfacial es que ya es un método bien establecido para preparar membranas para la purificación de agua, por lo que podemos imaginar simplemente adoptar estas químicas en la escala existente de las líneas de fabricación”, dice Lee.

La investigación fue financiada, en parte, por ExxonMobil a través de la Iniciativa Energética del MIT.

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