Combinando las propiedades de adsorción de los sólidos con la capacidad 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 asequible, están desarrollando sus materiales para separar diferentes tipos de gases, aumentando su uso en la industria y potencialmente controlando los gases de efecto invernadero.
La separación eficiente de gases es esencial en una variedad de industrias, desde aplicaciones médicas hasta generación de energía. Sin embargo, aislar 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 distinguir. Ahora, Ryotaro Matsuda y su equipo de la Universidad de Nagoya han desarrollado una estructura organometálica (MOF) porosa única, que representa un método novedoso para la separación de gases: un fenómeno combinado de “adsorción” y “disolución” al que llaman “adsorb-“. . proceso de disolución”. Sus resultados fueron publicados comunicación de la naturaleza.
Las técnicas de separación de gases se han basado tradicionalmente en dos propiedades: la capacidad de los materiales para disolver gases en poros de tamaño nanométrico (adsorción) o en líquidos. Sin embargo, cada enfoque tiene limitaciones. La adsorción eficaz de gases por sólidos porosos como las zeolitas y los carbones activados 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 su naturaleza líquida los hace difíciles de manipular en aplicaciones industriales.
Los MOF sólidos porosos a menudo se combinan con compuestos para formar materiales altamente absorbentes. Matsuda y sus colegas utilizaron esta propiedad para combinar perfluorocarbonos, líquidos que tienen una alta afinidad por el oxígeno, con un material MOF, creando una estructura que absorbe moléculas de oxígeno dentro de sus poros. Los perfluorocarbonos ayudan en la solubilización, que cuando se combinan con un MOF crea una fuerte fuerza adsorbente-solvente, lo que hace que la separación de gases sea mucho más eficiente y selectiva.
“Los procesos de absorción y disolución han sido reconocidos como fenómenos fundamentalmente distintos, porque en este caso los sólidos y los líquidos se deben a la diferente naturaleza de los medios utilizados”, dijo Matsuda. “Los poros de nuestro material están densamente llenos de cadenas de perfluoroalquilo, creando una combinación de comportamientos que llamamos comportamiento ‘adsorbedor-disolvente'”.
El equipo utilizó con éxito su material para separar argón y oxígeno, dos elementos normalmente difíciles de separar. Producen oxígeno puro, un material con muchas aplicaciones industriales. “En industrias como la siderúrgica, se requiere oxígeno de alta pureza para la combustión y las reacciones químicas, mientras que en los sistemas médicos, el oxígeno concentrado es esencial para el tratamiento, especialmente para pacientes con problemas respiratorios”, dijo Matsuda.
El grupo espera que su tecnología se utilice en industrias que requieren un método energéticamente eficiente para condensar 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 estos nuevos materiales van más allá de la separación de oxígeno. El fenómeno “disolvente-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”, dijo Matsuda. “La capacidad de condensar y separar gases de manera eficiente es respetuosa con el medio ambiente. La gestión abre la puerta a nuevas tecnologías, como la captura y el reciclaje de gases de efecto invernadero nocivos como el CO2 o la mejora de la tecnología de pilas de combustible mediante la separación eficiente del hidrógeno”.
Además, la eficiencia energética de este material MOF está alineada con iniciativas globales de sostenibilidad. A medida que el mundo avanza hacia una sociedad descarbonizada, es crucial 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 importante en el avance de las tecnologías ecológicas y la reducción de la huella de carbono de las industrias que dependen en gran medida de la separación de gases.