O gás natural e o biogás tornaram-se fontes de energia cada vez mais populares em todo o mundo nos últimos anos, graças ao seu processo de combustão mais limpo e eficiente quando comparado ao carvão e óleo.

Contudo, a presença de contaminantes como o dióxido de carbono no gás significa que ele deve primeiro ser purificado antes de ser queimado como combustível.

Os processos tradicionais de purificação do gás natural geralmente envolvem o uso de solventes tóxicos e são extremamente intensivos em energia.

Como resultado, pesquisadores têm investigado o uso de membranas como forma de remover impurezas do gás natural de forma mais econômica e ecologicamente correta. mas encontrar um material polimérico que possa separar gases de forma rápida e eficaz tem se mostrado um desafio.

Agora, em um artigo publicado hoje na revista Materiais avançados , pesquisadores do MIT descrevem um novo tipo de membrana polimérica que pode melhorar drasticamente a eficiência da purificação do gás natural, reduzindo seu impacto ambiental.

A membrana, que foi projetado por uma equipe de pesquisa interdisciplinar do MIT, é capaz de processar gás natural muito mais rapidamente do que os materiais convencionais, de acordo com o autor principal Yuan He, um estudante de pós-graduação no Departamento de Química do MIT.

"Nosso projeto pode processar muito mais gás natural - removendo muito mais dióxido de carbono - em um período de tempo mais curto, " Ele diz.

As membranas existentes são normalmente feitas usando fitas lineares de polímero, diz Zachary Smith, Joseph R. Mares, Professor de Desenvolvimento de Carreira de Engenharia Química no MIT, quem liderou este esforço de pesquisa.

"Estes são polímeros de cadeia longa, que se parecem com macarrão espaguete cozido em nível molecular, "ele diz." Você pode tornar esses macarrão espaguete cozido mais rígidos, e, ao fazer isso, você cria espaços entre o macarrão que muda a estrutura de empacotamento e o espaçamento através do qual as moléculas podem permear. "

Contudo, tais materiais não são suficientemente porosos para permitir que as moléculas de dióxido de carbono permeiem através deles a uma taxa rápida o suficiente para competir com os processos de purificação existentes.

Em vez de usar longas cadeias de polímeros, os pesquisadores desenvolveram membranas nas quais os fios parecem escovas de cabelo, com pequenas cerdas em cada fio. Essas cerdas permitem que os polímeros separem os gases com muito mais eficácia.

“Temos uma nova estratégia de design, onde podemos ajustar as cerdas da escova de cabelo, o que nos permite ajustar de forma precisa e sistemática o material, "Smith diz." Ao fazer isso, podemos criar espaçamentos subnanômetros precisos, e permitir os tipos de interação de que precisamos, para criar membranas seletivas e altamente permeáveis. "

Em experimentos, a membrana foi capaz de suportar pressões de alimentação de dióxido de carbono sem precedentes de até 51 bar sem sofrer plastificação, relatam os pesquisadores. Isso se compara a cerca de 34 bar para os materiais de melhor desempenho. A membrana também é 2, 000 -7, 000 vezes mais permeável do que as membranas tradicionais, de acordo com a equipe.

Desde as cadeias laterais, ou "cerdas, "pode ​​ser predefinido antes de ser polimerizado, é muito mais fácil incorporar uma gama de funções ao polímero, de acordo com Francesco Benedetti, um estudante visitante de pós-graduação no laboratório de pesquisa de Smith no Departamento de Engenharia Química do MIT.

A pesquisa também incluiu Timothy Swager, o professor de química John D. MacArthur, e Troy Van Voorhis, o Professor Haslam e Dewey de Química, Estudantes de pós-graduação do MIT Hong-Zhou Ye e Sharon Lin, M. Grazia DeAngelis da Universidade de Bolonha, e Chao Liu e Yanchuan Zhao na Academia Chinesa de Ciências.

"O desempenho do material pode ser ajustado por meio de mudanças muito sutis nas cadeias laterais, ou pincéis, que pré-projetamos, "Benedetti diz." Isso é muito importante, porque isso significa que podemos direcionar aplicativos muito diferentes, apenas fazendo mudanças muito sutis. "

O que mais, os pesquisadores descobriram que os polímeros de suas escovas de cabelo são mais capazes de resistir a condições que fariam com que outras membranas falhassem.

Em membranas existentes, os fios de polímero de cadeia longa se sobrepõem, aderindo para formar filmes de estado sólido. Mas com o tempo, os fios de polímero deslizam uns sobre os outros, criando uma instabilidade física e química.

No novo design de membrana, em contraste, as cerdas de polímero são todas conectadas por um fio de cadeia longa, que atua como uma espinha dorsal. Como resultado, as cerdas individuais são incapazes de se mover, criando um material de membrana mais estável.

Essa estabilidade confere ao material uma resistência sem precedentes a um processo conhecido como plastificação, em que os polímeros incham na presença de matérias-primas agressivas, como dióxido de carbono, Smith diz.

"Vimos uma estabilidade que nunca vimos antes em polímeros tradicionais, " ele diz.

O uso de membranas de polímero para separação de gás oferece alta eficiência energética, impacto ambiental mínimo, e operação simples e contínua, mas os materiais comerciais existentes têm baixa permeabilidade e seletividade moderada, tornando-os menos competitivos do que outros processos mais intensivos em energia, diz Yan Xia, professor assistente de química na Universidade de Stanford, que não participou da pesquisa.

"As membranas desses polímeros exibem uma permeabilidade muito alta para vários gases industrialmente importantes, "Diz Xia." Além disso, esses polímeros exibem pouca plastificação indesejada conforme a pressão do gás é aumentada, apesar de seu backbone relativamente flexível, tornando-os materiais desejados para separações relacionadas ao dióxido de carbono. "

Os pesquisadores agora planejam realizar um estudo sistemático da química e da estrutura das escovas, para investigar como isso afeta seu desempenho, Ele diz.

"Estamos procurando a química e a estrutura mais eficazes para ajudar no processo de separação."

A equipe também espera investigar o uso de seus designs de membrana em outras aplicações, incluindo captura e armazenamento de carbono, e até mesmo na separação de líquidos.