Científicos han desarrollado una membrana de separación de gases que mejora diez veces el proceso comercial actual de purificación del hidrógeno, reduce drásticamente el consumo energético y acorta su fabricación de tres días a tres horas.
Este logro, que puede transformar sectores clave como la petroquímica, corresponde a un equipo liderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), perteneciente al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Los resultados del trabajo fueron publicados en la revista Journal of Membrane Science.
En un momento histórico en el que la descarbonización de la industria y el despliegue del hidrógeno verde son prioridades estratégicas a nivel global, tecnologías como la desarrollada destacan porque permiten acortar los plazos de la transición energética.
El hidrógeno, es una de las piezas angulares de la descarbonización global
El hidrógeno se ha consolidado en los últimos años como una de las piezas angulares de la descarbonización global. Capaz de incidir en industrias difíciles de electrificar como la siderurgia, la química pesada o el transporte de larga distancia, este elemento químico es ya una materia prima estratégica en la transición energética. Sin embargo, su producción, almacenamiento y, sobre todo, su purificación siguen planteando retos técnicos y económicos de gran envergadura.
Por ello, separar el hidrógeno de otros gases con rapidez, precisión y bajo consumo energético es uno de los grandes desafíos de la ingeniería química contemporánea. Los métodos tradicionales de purificación son costosos, intensivos en energía y, en muchos casos, generan residuos contaminantes.
En este contexto, el que el equipo de investigadores del ICMM-CSIC ha logrado un avance que puede redefinir las reglas del juego: una nueva membrana de separación de gases que multiplica por casi diez la eficiencia de las membranas comerciales actuales. El estudio introduce, además, una innovación radical en su propio proceso de fabricación, al reducir el tiempo de síntesis de tres días a apenas tres horas.
Relación de compromiso entre permeabilidad y selectividad
Un principio casi tan implacable como una ley física existe en el mundo de las membranas de separación de gases: la relación de compromiso (trade-off) entre permeabilidad y selectividad. Vale decir que cuando un material se diseña para dejar pasar un gas con mayor rapidez (permeabilidad), normalmente pierde capacidad para discriminar entre moléculas similares (selectividad), y viceversa. Por lo tanto, mejorar una variable suele suponer sacrificar la otra.
La membrana desarrollada por el equipo del ICMM-CSIC logra algo poco habitual en la ingeniería de materiales: romper ese compromiso. El nuevo material consigue aumentar la permeabilidad al hidrógeno en más de un 800 % y, al mismo tiempo, mejorar la selectividad en torno a un 30 %.
Esto significa que el hidrógeno atraviesa la membrana mucho más rápido y, además, se separa con mayor precisión de otros gases. Esto se logra porque la membrana mejorada aguanta la presión del hidrógeno. Además, es capaz de separar gases a la vez que permite una permeabilidad alta.
Polisulfona reforzada con un componente poroso a medida
El punto de partida de las y los expertos no fue un material exótico ni costoso, sino una base conocida y ampliamente utilizada en la industria: las membranas comerciales de polisulfona, un termoplástico valorado por su estabilidad química y mecánica. La innovación no reside en sustituir este polímero, sino en potenciarlo mediante la incorporación de un componente poroso diseñado a medida.
Tal relleno poroso, basado en polímeros hiperreticulados derivados del hexametiltruxeno, genera en el interior de la membrana una red de canales microscópicos capaces de discriminar las moléculas de gas con una gran precisión, dejándose el paso a las pequeñas. Al ser la molécula más pequeña que existe, el hidrógeno atraviesa esos canales con facilidad, mientras que otras mayores (nitrógeno, metano o dióxido de carbono) quedan retenidas.
El resultado es una membrana compuesta que combina la robustez de la polisulfona con la capacidad de filtrado molecular del nuevo componente poroso. Esta arquitectura híbrida es la responsable de los extraordinarios resultados obtenidos en el laboratorio.
Una vía radicalmente distinta: la síntesis mecanoquímica
Si los resultados en eficiencia de separación ya son notables, lo más novedoso del trabajo reside quizás en cómo se fabrica el material poroso. Los métodos convencionales de síntesis de este tipo de rellenos requieren hasta tres días de procesamiento, con elevado consumo energético y el uso abundante de disolventes orgánicos, muchos de ellos tóxicos. El equipo del ICMM-CSIC ha optado por una vía radicalmente distinta: la síntesis mecanoquímica.
Esta técnica emplea energía mecánica, normalmente mediante molienda de alta energía, para provocar las reacciones químicas necesarias, prescindiendo en gran medida de disolventes líquidos. El resultado es un proceso más rápido, más limpio y considerablemente más barato, que ha pasado de tres días a tres horas. Se trata de una reducción temporal es drástica, porque el proceso se acelera en un factor de aproximadamente dieciséis.
Pero las ventajas no son solo de tiempo. La mecanoquímica permite minimizar el uso de disolventes tóxicos y reducir la generación de residuos peligrosos, alineándose plenamente con los principios de la química verde y la sostenibilidad industrial.
La demanda industrial de hidrógeno puro no deja de crecer
La demanda industrial de hidrógeno puro no deja de crecer. Sectores como la petroquímica, la refinación de petróleo y la producción de amoníaco son grandes consumidores de este gas, que emplean en procesos tan críticos como la desulfuración de combustibles, para eliminar el azufre y reducir las emisiones contaminantes, o la síntesis de fertilizantes.
En todos estos procesos, la purificación del hidrógeno constituye una fracción importante del consumo energético. Disponer de una membrana que multiplique por diez la eficiencia de separación reduciría de forma inmediata el consumo eléctrico en las plantas, permitiría alcanzar mayor pureza del hidrógeno con menos etapas de procesamiento, y simplificaría procesos complejos y costosos.
Asimismo, al optimizar la separación, se disminuiría la generación de residuos químicos asociados a las operaciones de purificación, con beneficios ambientales claros. Para los operadores de plantas petroquímicas y de producción de amoníaco, que purifican grandes volúmenes de hidrógeno cada día,por ejemplo, esta diferencia se traduce directamente en menores costes operativos y una huella de carbono reducida.
Papel especialmente relevante en el despliegue del hidrógeno verde
Más allá de su aplicación en la industria tradicional, la nueva membrana tiene un papel especialmente relevante en el despliegue del hidrógeno verde, aquel producido mediante electrólisis del agua utilizando energías renovables. Aunque la electrólisis genera hidrógeno libre de emisiones de CO₂, el gas obtenido todavía necesita ser acondicionado, comprimido y purificado antes de su almacenamiento, transporte o uso industrial.
Los sistemas de membrana, por su simplicidad operativa, bajos requerimientos energéticos y capacidad de operar de forma continua, se perfilan como la tecnología de purificación más prometedora para estas plantas.
Una membrana más eficiente permite que el hidrógeno verde sea competitivo más rápidamente, al reducir uno de los costes asociados a su producción posterior a la electrólisis. En un momento en que la Estrategia del Hidrógeno de la Unión Europea marca objetivos ambiciosos de despliegue de esta tecnología, avances como el del ICMM-CSIC se convierten en piezas clave del rompecabezas.
Escalabilidad del producto pendiente de validación en entornos reales
Los autores del estudio son conscientes de que el salto del laboratorio a la aplicación industrial a gran escala requiere aún pasos importantes. La escalabilidad del producto está pendiente de validación en entornos reales, con condiciones operativas de presión, temperatura y composición de gas más exigentes que las del laboratorio.
No obstante, las bases del desarrollo son prometedoras. El uso de una matriz polimérica comercial como la polisulfona (ya fabricada a escala industrial) y la sencillez de la síntesis mecanoquímica son dos factores que juegan a favor de una futura transferencia tecnológica. Si se superan las pruebas de escalado, esta membrana podría integrarse en módulos de separación existentes, facilitando su adopción por parte de la industria.
Al final, la lucha contra el cambio climático no sólo depende de las grandes decisiones políticas o de las inversiones millonarias: también depende de avances como el reseñado, que hacen posible que el hidrógeno del futuro sea más puro, más barato y más limpio.
Con información de Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid I, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid II, Ecoinventos, Gizmodo, Voz Populi, Inspenet
Fotos cortesía de Ecoinventos, IDOM e Infobae
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