La nueva tecnología podría ser más barata, menos

A pesar de los esfuerzos por girar hacia fuentes de energía renovables, el petróleo sigue siendo la columna vertebral de la sociedad moderna. Proporciona combustibles para el calor y el transporte, y productos químicos para todo, desde plásticos hasta productos farmacéuticos. Pero todos estos usos requieren separar el crudo en sus diversos componentes. Ese proceso de separación, que tradicionalmente se basa en el calor, requiere una enorme cantidad de energía y representa aproximadamente el 1 % de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero cada año.

Ahora, los químicos dicen que un material recientemente desarrollado podría algún día ayudar a aligerar esta huella de carbono significativa, aunque en gran medida invisible, que consume unos 230 gigavatios al año, equivalente al consumo total de energía de Nevada. Los investigadores informan esta semana que una nueva membrana podría, si se amplía, reducir la energía requerida para separar el petróleo crudo en más de la mitad. Tales membranas no solo harían que el uso de petróleo crudo fuera más ecológico, sino también más económico para las refinerías, ya que les ahorraría miles de millones de dólares al año en costos de energía.

"Los ahorros potenciales son bastante impresionantes", dice Ryan Lively, ingeniero químico del Instituto de Tecnología de Georgia que no participó en el nuevo trabajo. Las nuevas membranas, agrega, aún deben demostrar ser duraderas durante meses, si no años, a la vez. Él y otros también advierten que las refinerías de petróleo convencionales pueden tardar en adoptarlos, porque las empresas ya han invertido costos en la instalación de sistemas de separación convencionales. Sin embargo, dice Lively, las nuevas membranas podrían adoptarse rápidamente en nuevas refinerías construidas para separar mezclas de hidrocarburos creadas a partir de biocombustibles o combustibles sintéticos fabricados con electricidad renovable. "Ese es un territorio realmente maduro", dice Lively.

El petróleo crudo es una mezcla de decenas de miles de productos químicos. El primer paso en la refinación del petróleo es separar esa mezcla a través de un proceso de destilación. El crudo crudo se calienta hasta aproximadamente 500°C. Los componentes más livianos, como los que componen la gasolina, se vaporizan a temperaturas más bajas y son capturados. Los componentes más pesados, como el aceite de calefacción doméstico, se vaporizan a temperaturas más altas.

Hace dos años, investigadores dirigidos por Lively y Andrew Livingston, ingeniero químico de la Universidad Queen Mary de Londres, informaron en Science que era posible separar estos componentes utilizando membranas en lugar de destilación. Crearon membranas con poros incorporados que permiten el paso de hidrocarburos pequeños y ligeros y mantienen alejados a los más grandes y pesados. Pero los hidrocarburos ligeros atravesaron las membranas con demasiada lentitud para que fueran prácticos para el uso en el mundo real.

Para evitar esto, Livingston y sus colegas recurrieron a un enfoque industrial para fabricar membranas de desalinización de agua ultrafinas llamadas polimerización interfacial. Esperaban que las membranas más delgadas permitieran que los hidrocarburos deseados pasaran más rápidamente. Sin embargo, señala Livingston, mientras que las membranas que se utilizan normalmente para la desalinización son resistentes en un entorno a base de agua, se desmoronan rápidamente cuando se someten a hidrocarburos que incluyen disolventes industriales.

Entonces, él y sus colegas reformaron los polímeros que componen las membranas convencionales. Primero, crearon polímeros individuales, uniendo una porción hidrófoba o similar al aceite a una hebra hidrófila o similar al agua. Cuando agregaron estas moléculas en una mezcla de aceite y agua, se ensamblaron espontáneamente en pequeñas burbujas o vesículas, con la porción hidrofóbica hacia adentro. Luego utilizaron la técnica de polimerización interfacial para esparcir estas vesículas en una hoja ultrafina continua y unir todas las unidades de polímero para formar una membrana robusta.

El enfoque funcionó. Los núcleos hidrofóbicos de las vesículas permitieron que los hidrocarburos seleccionados (según el tamaño y otras características) pasaran fácilmente, unas 10 veces más rápido que en las membranas de separación de aceite anteriores, según informaron Livingston y sus colegas ayer en Science. Los investigadores también demostraron que, al adaptar la composición química de los polímeros, podían crear diferentes membranas que atravesaran selectivamente hidrocarburos de diferentes tamaños.

Según Neel Rangnekar, ingeniero químico de Exxon y miembro del equipo del nuevo estudio, cambiar de la destilación a la separación por membrana podría ahorrar hasta un 50 % del costo de calentar el petróleo crudo y un 75 % del costo de la electricidad utilizada en la refinación. , que asciende a al menos $ 3.5 mil millones por año.

"Es un resultado muy emocionante", dice David Sholl, un experto en separaciones del Laboratorio Nacional de Oak Ridge que no participó en el estudio. Sin embargo, señala Sholl, las nuevas membranas aún no están listas para uso industrial. Todavía deben ampliarse del tamaño de una hoja de papel para escribir a cientos de metros cuadrados y demostrar que son duraderos durante meses de uso continuo. Pero Sholl cree que estos hallazgos alentadores garantizarán que las compañías petroleras continúen explorando una tecnología que podría ahorrar dinero y reducir sus emisiones de carbono. "Todas las empresas químicas están muy interesadas en tratar de hacer eso", dice.