Una nueva tecnología de membranas podría transformar el procesamiento de hidrocarburos al reducir drásticamente el consumo de energía

El estudio, titulado «Membranas poliméricas ultradelgadas con microporosidad intrínseca bloqueada para el fraccionamiento de hidrocarburos», ha creado una nueva forma de formar las capas de separación en las membranas poliméricas para separaciones moleculares. Este avance se debe a la forma en que el agente reticulante de la película polimérica se añade al polímero durante la fabricación de la membrana. El resultado es una tecnología de membranas escalable capaz de separar mezclas orgánicas complejas en fracciones valiosas con una eficiencia sin precedentes. Las membranas combinan una selectividad molecular extremadamente alta con un rápido transporte de líquidos, una combinación que durante mucho tiempo ha eludido a los científicos e ingenieros que trabajan en este campo.

Replanteamiento de un proceso centenario

El refinado convencional del petróleo crudo se basa en la destilación térmica, un proceso que consume enormes cantidades de energía y representa alrededor del uno por ciento del consumo energético mundial. Aunque las tecnologías de membranas llevan mucho tiempo prometiendo una alternativa mucho más eficiente desde el punto de vista energético, su adopción industrial se ha visto limitada por retos fundamentales relacionados con los materiales.

«En principio, las membranas pueden realizar la misma función que la destilación o la evaporación, utilizando mucha menos energía», explica el investigador principal, Andrew Livingston, catedrático de Ingeniería Química y vicepresidente de Investigación e Innovación de la Universidad Queen Mary de Londres, además de director ejecutivo de Exactmer. «El problema ha sido encontrar materiales que sean a la vez rápidos y selectivos cuando se exponen a mezclas reales de hidrocarburos».

Fijación de los poros a escala nanométrica

El avance descrito en este estudio radica en una nueva forma de fabricar membranas poliméricas de modo que sus poros a escala nanométrica queden «bloqueados» en su sitio durante su formación.

Los investigadores se centraron en los polímeros de microporosidad intrínseca, materiales conocidos por su estructura esponjosa que contiene poros de tamaño inferior al nanómetro. Aunque estos poros son ideales para separar moléculas por tamaño y tipo, los polímeros suelen hincharse cuando se exponen a hidrocarburos, lo que provoca que los poros se expandan y pierdan selectividad.

Para superar este problema, el equipo desarrolló un método de reticulación in situ que estabiliza la estructura del polímero mientras se forma la membrana. Este proceso fija los poros en su configuración óptima, dando lugar a lo que los investigadores denominan polímeros de microporosidad intrínseca fijada (PLIM).

«La clave fue estabilizar la estructura antes de que el polímero tuviera tiempo de hincharse», explica el Dr. Zhiwei Jiang, que dirigió la investigación como jefe de Investigación de Membranas en Exactmer y que ahora es profesor adjunto en la Universidad Tecnológica de Nanyang, en Singapur. «Esto preserva los minúsculos poros que hacen posible la separación molecular, al tiempo que permite que los hidrocarburos fluyan a través de ellos con gran rapidez».

Para investigar los orígenes moleculares de este «bloqueo», el equipo de la UCL, dirigido por el Dr. Foglia, utilizó la dispersión cuasielástica de neutrones en la Fuente de Neutrones y Muones del ISIS, la instalación nacional británica de neutrones pulsados y una herramienta sin igual para estudiar la dinámica de las cadenas poliméricas. 

Rendimiento excepcional con petróleo crudo y corrientes de refinería

Al someterlas a pruebas con petróleo crudo sintético, las membranas PLIM mostraron una permeabilidad hasta diez veces superior a la de las membranas de última generación existentes, al tiempo que mantenían una alta selectividad. Las membranas fueron capaces de discriminar eficazmente entre moléculas de hidrocarburos que solo difieren ligeramente en tamaño.

En las pruebas realizadas con petróleo crudo «Arabian Extra Light» real, las membranas:

• Eliminaron el 99,8 % de los hidrocarburos con más de 15 átomos de carbono
• Redujeron los compuestos que contienen azufre en un 93 %, un paso fundamental para proteger los catalizadores y los equipos de las fases posteriores del proceso

Las membranas también obtuvieron resultados especialmente buenos con corrientes de refinería como la nafta virgen. En estas pruebas, separaron de manera eficiente los hidrocarburos ligeros (C4–C6), adecuados para la mejora de combustibles, de las fracciones de nafta más pesadas utilizadas para producir plásticos y productos químicos, todo ello con permeabilidades comparables a las de las membranas comerciales de desalinización.

Diseñadas para la producción a gran escala

Un aspecto crucial es que los investigadores demostraron que las membranas pueden fabricarse a gran escala. Mediante un proceso de bobina a bobina, produjeron láminas de más de un metro de ancho y las integraron en módulos de membranas enrolladas en espiral estándar, de uso común en la industria.

«Estas membranas no son meras curiosidades de laboratorio», afirmó el Dr. Adam Oxley, primer autor del artículo de investigación y actualmente vicepresidente adjunto de Membranas en Exactmer. «Pueden fabricarse utilizando técnicas de fabricación consolidadas e integrarse en los diseños de módulos industriales existentes. En Exactmer, estamos incorporando estas nuevas técnicas a las membranas que se utilizan para separaciones de alto valor en disolventes orgánicos».

Las pruebas a largo plazo demostraron un rendimiento estable durante 30 días de funcionamiento continuo, lo que indica un gran potencial para su aplicación industrial real.

Una vía más sostenible para el refinado

Aunque el sistema energético mundial está en transición hacia alternativas con menores emisiones de carbono, sigue existiendo demanda de combustibles, productos químicos, disolventes y materiales derivados de los hidrocarburos. Por lo tanto, mejorar la eficiencia de los procesos de separación existentes es esencial para reducir las emisiones durante el periodo de transición.

Al permitir separaciones basadas en membranas que son a la vez rápidas y selectivas, la tecnología PLIM podría permitir a sectores que van desde el refinado de petróleo hasta la industria farmacéutica:

• Reducir drásticamente el consumo de energía
• Reducir las emisiones de carbono
• Operar con unidades de procesamiento más pequeñas y flexibles
• Integrar la desulfuración selectiva en una fase más temprana del proceso de refino

Los investigadores señalan que el mismo concepto de bloqueo de poros podría extenderse a otros retos de separación de líquidos, como la fabricación de productos químicos, la recuperación de disolventes y las materias primas de origen biológico emergentes.

Perspectivas de futuro

El equipo está explorando ahora disolventes más ecológicos para la fabricación de membranas e investigando cómo podrían utilizarse las membranas PLIM en procesos híbridos específicos, junto con la infraestructura de refinería existente y la fabricación de productos farmacéuticos de alto valor en disolventes orgánicos.

«Este trabajo demuestra que la separación molecular basada en membranas en líquidos orgánicos ya no es solo una posibilidad teórica», afirmó el profesor Livingston. «Con el diseño adecuado de los materiales, puede ser rápida, selectiva, escalable y estar lista para su aplicación industrial».