Desarrollan una membrana bioinspirada que mejora la separación de propileno y propano

En el ámbito de la industria química, la producción de propileno de grado polimérico, un insumo fundamental con una pureza superior al 99.5%, es un proceso que inevitablemente genera propano como subproducto. La separación eficiente de propileno y propano se convierte en un paso crítico, especialmente dado que ambos compuestos poseen propiedades físicas y químicas extremadamente similares, lo que convierte este proceso en uno de gran consumo energético.

Las membranas de tamiz molecular se presentan como una solución efectiva y que ahorra energía para esta tarea de separación. Los marcos orgánicos metálicos (MOFs) se consideran candidatos ideales para estas membranas. Sin embargo, el efecto de «apertura de compuerta» de sus ventanas flexibles y la existencia de defectos intercristalinos no selectivos limitan su capacidad de tamizado molecular. Además, las membranas de MOF son frágiles y su rendimiento de separación puede verse gravemente afectado por colisiones o abrasiones durante su uso práctico.

Desarrollo de una membrana MOF resistente al desgaste

Un equipo de investigación liderado por el profesor Yang Weishen y el profesor asociado Peng Yuan del Instituto Dalian de Física Química de la Academia China de Ciencias ha desarrollado una membrana MOF resistente al desgaste, denominada ZIF-67. Esta membrana presenta una configuración de entrelazado tangencial-normal que facilita la separación precisa de propileno de propano al utilizar ventanas de jaula paralizadas y abordar los defectos intergranulares.

La inspiración detrás de esta innovadora membrana proviene de la naturaleza, donde muchas plantas y animales han evolucionado texturas de superficie cóncavas y convexas que ofrecen una excepcional resistencia al desgaste y a colisiones. Los investigadores cultivaron una capa precursora con una estructura entrelazada sobre un sustrato poroso, que fue transformada en una membrana ZIF-67 con una arquitectura escalonada e interlazada. Esta membrana, inspirada en la biología, es capaz de separar eficazmente el propileno del propano con un alto rendimiento.

La estructura de la membrana inspirada en la biología consta de dos secciones distintas: la sección tangencial (T), responsable de la separación precisa, y la sección normal bulgy (N), que actúa como armadura resistente al desgaste. En la sección T, el precursor residual, que estaba vinculado a los granos de ZIF-67, inhibió los movimientos de inversión del ligando en las ventanas de tamizado de seis miembros en la jaula sod, eliminando efectivamente los defectos intergranulares.

Los resultados de rendimiento de separación revelaron que la membrana, libre de defectos, logró una separación excelente de propileno y propano, con un factor de separación que supera 220. Tras 1.5 años de almacenamiento en condiciones ambientales, la estructura ZIF-67 paralizada se mantuvo estable y su capacidad de tamizado molecular se conservó, permitiendo una estabilidad a largo plazo de casi 1,000 horas. Después de someter la superficie de la membrana a un intenso lijado en tres ocasiones, la sección de armadura N retuvo su rendimiento de tamizado de propileno, demostrando una notable resistencia al desgaste.

Asimismo, los investigadores sugirieron que esta innovadora arquitectura de membrana podría ser «transplantada» a sustratos cerámicos capilares de alta curvatura con un diámetro exterior de solo 4 mm. Esto proporciona una guía para la producción a bajo costo y a gran escala de membranas MOF resistentes al desgaste y de alto rendimiento, presentando un gran potencial para su aplicación industrial.

Como señaló el profesor Yang: «Las membranas MOF son a menudo consideradas como una solución ideal para los desafíos de separación. La membrana MOF inspirada en la biología desarrollada por nuestro equipo aborda cuestiones clave en el campo de las membranas MOF y demuestra la versatilidad de estas en procesos de separación altamente complejos y exigentes.»