Existem inúmeras tecnologias promissoras em desenvolvimento que podem reduzir o consumo de energia ou capturar carbono em campos, incluindo biotecnologia, Ciência da Computação, nanotecnologia, Ciência de materiais, e mais. Nem tudo será viável, mas com um pouco de financiamento e incentivo, muitos poderiam ajudar a resolver o grande desafio do planeta.

Uma dessas soluções está surgindo de novas abordagens para processos de separação industrial. No Departamento de Engenharia Química do MIT, O professor Zachary Smith está trabalhando em novas membranas poliméricas que podem reduzir muito o uso de energia em separações químicas. Ele também está conduzindo pesquisas de longo alcance para melhorar as membranas poliméricas com estruturas metal-orgânicas em nanoescala (MOFs).

"Não estamos apenas fabricando e analisando materiais a partir do princípio fundamental do transporte, termodinâmica e reatividade, mas estamos começando a adquirir esse conhecimento para criar modelos e projetar novos materiais com desempenho de separação que nunca foi alcançado antes, "Smith diz." É emocionante ir da escala do laboratório para pensar sobre o grande processo, e o que fará a diferença na sociedade. "

Smith costuma consultar especialistas do setor que compartilham ideias sobre tecnologias de separação. Com o acordo climático de Paris de 2015 mantendo-se unido, apesar do recuo dos EUA, as indústrias químicas e petroquímicas nas quais Smith se concentra principalmente estão começando a sentir a pressão para reduzir as emissões. A indústria também busca reduzir custos. As torres de aquecimento e resfriamento usadas para separações requerem energia considerável, e são caros de construir e manter.

Os processos industriais usados ​​nas indústrias química e petroquímica consomem de um quarto a um terço da energia total nos EUA, e as separações respondem por cerca de metade disso, disse Smith. Cerca de metade do consumo de energia das separações vem da destilação, um processo que requer calor extremo, ou no caso de destilação criogênica, ainda mais resfriamento extremo, que consome muita energia.

“Requer muita energia para ferver e reiniciar as misturas, e é ainda mais ineficiente porque requer mudanças de fase, "diz Smith." A tecnologia de separação por membrana poderia evitar essas mudanças de fase e usar muito menos energia. Os polímeros podem ser feitos sem defeitos, e você pode colocá-los em seletivos, Filmes finos de 100 nanômetros de espessura que poderiam cobrir um campo de futebol. "

Muitos obstáculos que se interpõem, Contudo. As separações por membrana são usadas em apenas uma pequena fração dos processos de separação de gases industriais porque as membranas poliméricas "são frequentemente ineficientes, e não pode igualar o desempenho da destilação, "diz Smith." As membranas atuais não fornecem rendimento suficiente - chamado de fluxo - para aplicações de alto volume, e muitas vezes são química e fisicamente instáveis ​​ao usar fluxos de alimentação mais agressivos. "

Muitos desses problemas de desempenho decorrem do fato de que os polímeros tendem a ser amorfos, ou entropicamente desordenado. "Os polímeros são fáceis de processar e formar em geometrias úteis, mas o espaçamento onde as moléculas podem se mover através das membranas poliméricas muda ao longo do tempo, "diz Smith." É difícil controlar seu volume livre interno poroso. "

As separações mais exigentes exigem tamanho seletivamente entre moléculas de apenas uma fração de um angstrom. Para enfrentar este desafio, o Smith Lab está tentando adicionar recursos em nanoescala e funcionalidade química aos polímeros para obter separações mais finas. Os novos materiais podem "absorver um tipo de molécula e rejeitar outro, "diz Smith.

Para criar membranas poliméricas com maior rendimento e seletividade, A equipe de Smith está transformando novos polímeros desenvolvidos nos laboratórios do MIT que podem reagir à estrutura ordenada do modelo em desordem tradicional, polímeros amorfos. Como ele explica, "Nós, então, os tratamos pós-sinteticamente de forma a moldar em alguns bolsões do tamanho de nanômetros que criam vias de difusão."

Embora o Smith Lab tenha obtido sucesso com muitas dessas técnicas, alcançar o fluxo necessário para aplicações de alto volume ainda é um desafio. O problema se complica pelo fato de haver mais de 200 tipos diferentes de processos de separação por destilação usados ​​pela indústria química e petroquímica. No entanto, isso também pode ser uma vantagem ao tentar introduzir uma nova tecnologia - os pesquisadores podem procurar um nicho em vez de tentar mudar o setor da noite para o dia.

"Estamos procurando alvos onde teríamos o maior impacto, "diz Smith." Nossa tecnologia de membrana tem a vantagem de oferecer uma pegada muito menor, para que você possa usá-los em locais remotos ou em plataformas de petróleo offshore. "

Devido ao seu pequeno tamanho e peso, membranas já estão sendo usadas em aviões para separar o nitrogênio do ar. O nitrogênio é então usado para revestir o tanque de combustível para evitar explosões como a que derrubou o voo 800 da TWA em 1996. Membranas também têm sido usadas para remoção de dióxido de carbono em poços de gás natural remotos, e encontraram um nicho em algumas aplicações petroquímicas maiores, como remoção de hidrogênio.

Smith pretende expandir para aplicações que normalmente usam torres de destilação criogênica, que requerem imensa energia para produzir frio extremo. Na indústria petroquímica, estes incluem etileno-etano, nitrogênio-metano, e separações de ar. Muitos produtos de consumo de plástico são feitos de etileno, portanto, reduzir os custos de energia na fabricação pode gerar enormes benefícios.

"Com destilação criogênica, você não deve apenas separar moléculas de tamanho semelhante, mas também nas propriedades termodinâmicas, "diz Smith." As colunas de destilação podem ter 200 ou 300 pés de altura com taxas de fluxo muito altas, portanto, os trens de separação podem custar até bilhões de dólares. A energia necessária para puxar o vácuo e operar os sistemas a -120 graus Celsius é enorme. "

Outras aplicações potenciais para membranas de polímero incluem "encontrar outras maneiras de remover CO2 do nitrogênio ou metano ou separar diferentes tipos de parafinas ou matérias-primas químicas, "diz Smith.

A captura e o sequestro de carbono também estão no radar. "Se houvesse um motivador econômico para a captura de CO2 hoje, a captura de carbono seria a maior aplicação em volume para membranas por um fator de 10, "Ele diz." Poderíamos fazer um material semelhante a uma esponja que absorveria o CO2 e o separaria de forma eficiente para que você pudesse pressurizá-lo e armazená-lo no subsolo. "

Um desafio ao usar membranas poliméricas em separações de gás é que os polímeros são normalmente feitos de hidrocarbonetos. "Se você tem o mesmo tipo de componentes de hidrocarboneto em seu polímero que tem na corrente de alimentação que está tentando separar, o polímero pode inchar ou dissolver ou perder seu desempenho de separação, "diz Smith." Estamos procurando introduzir componentes não baseados em hidrocarbonetos, como o flúor, em polímeros para que a membrana interaja melhor com misturas baseadas em hidrocarbonetos. "

Smith também está experimentando adicionar MOFs aos polímeros. MOFs, que são formados pela ligação de íons de metal ou aglomerados de metal com um ligante orgânico, pode não só resolver o problema do hidrocarboneto, mas a questão da desordem entrópica também.

"MOFs permitem que você crie um, dois, ou estruturas cristalinas tridimensionais que são permanentemente porosas, "diz Smith." Uma colher de chá de MOFs tem a superfície interna de um campo de futebol, então você pode pensar em funcionalizar as superfícies internas dos MOFs para se ligar ou rejeitar seletivamente certas moléculas. Você também pode definir a forma e a geometria dos poros para permitir que uma molécula passe enquanto outra é rejeitada. "

Ao contrário dos polímeros, Estruturas MOF normalmente não mudam de forma, portanto, os poros são muito mais persistentes com o tempo. Além disso, "eles não se degradam como certos polímeros por meio de um processo conhecido como envelhecimento, "diz Smith." O desafio é como incorporar materiais cristalinos em um processo onde você pode torná-los como filmes finos. Uma abordagem que estamos adotando é dispersar MOFs em polímeros como nanopartículas. Isso permitiria que você explorasse a eficiência e produtividade dos MOFs, mantendo a processabilidade do polímero. "

Uma vantagem potencial da introdução de membranas poliméricas aprimoradas por MOF é a intensificação do processo:agrupamento de diferentes processos catalíticos ou de separação em uma única etapa para obter maior eficiência. "Você pode pensar em combinar um tipo de material MOF que poderia separar uma mistura de gases e permitir que a mistura passasse por uma reação catalítica ao mesmo tempo, "diz Smith." Alguns MOFs também podem atuar como agentes de cross-linking. Em vez de usar polímeros diretamente reticulados, você pode ter ligações entre partículas MOF dispersas em uma matriz de polímero, o que criaria mais estabilidade para separações. "

Devido à sua natureza porosa, MOFs podem ser potencialmente usados ​​para "capturar hidrogênio, metano, ou mesmo, em alguns casos, CO2, "diz Smith." Você pode obter uma absorção muito alta se criar o tipo certo de estrutura semelhante a uma esponja. É um desafio, Contudo, para encontrar materiais que ligam seletivamente um desses componentes em uma capacidade muito alta. "

Uma aplicação semelhante para MOFs seria armazenar hidrogênio ou gás natural para abastecer um carro. "Usar um material poroso em seu tanque de combustível permitiria que você retenha mais hidrogênio ou metano, "diz Smith.

Smith adverte que a pesquisa do MOF pode levar décadas antes de dar frutos. A pesquisa de polímeros de seu laboratório, Contudo, está muito mais longe, com soluções comerciais esperadas nos próximos cinco a 10 anos.

"Pode ser uma verdadeira virada de jogo, " ele diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.