Un grupo de expertos internacionales ha diseñado una tecnología de membrana inspirada en la estrategia natural de las hojas de las plantas para captar dióxido de carbono (CO₂). Este sistema utiliza el agua como medio para aislar el gas de diversas mezclas industriales, garantizando niveles de eficiencia y selectividad constantes. Esta innovación promete transformar radicalmente la captura de carbono, la purificación de hidrógeno y la optimización de biogás, logrando que estas actividades industriales sean más económicas, seguras y sostenibles.
La capacidad de separar el CO₂ con eficacia es una prioridad global, pues facilita su recolección antes de que contamine la atmósfera y permite purificar otros gases fundamentales para el sector energético. Según el estudio publicado en la revista Nature Communications, la nueva membrana mantiene una selectividad estable aun cuando se incrementa su permeabilidad. Esto faculta el filtrado de grandes cantidades de gas sin comprometer la precisión al separar el dióxido de carbono de otros elementos como el nitrógeno (N₂), el metano (CH₄) y el hidrógeno (H₂).
A través de pruebas controladas, los científicos determinaron que este diseño permite que el CO₂ sea hasta 40 veces más permeable que el nitrógeno, debido principalmente a su elevada solubilidad en el agua. Esta característica técnica es vital para asegurar un rendimiento confiable en contextos industriales caracterizados por humedad elevada y presiones extremas.
Superando las barreras de las tecnologías tradicionales
Históricamente, los métodos empleados para la separación de gases contaminantes, como la separación criogénica o la absorción mediante aminas, han implicado un alto gasto energético y el manejo de químicos potencialmente tóxicos. Por otro lado, las membranas convencionales solían enfrentar un dilema técnico: al aumentar su capacidad de selección, disminuía su permeancia, lo que limitaba su uso en procesos masivos o bajo condiciones de alta presión que terminaban por degradar el material.
Para resolver esto, la nueva tecnología imita el mecanismo de las plantas, las cuales absorben el gas disolviéndolo en pequeños conductos de agua dentro de sus hojas. El diseño aprovecha la tensión superficial y la solubilidad del CO₂ para mantener la estabilidad de los canales acuosos incluso bajo fuerzas de presión negativa. El equipo investigador logró estabilizar el líquido dentro de nanoporos hidrofílicos de menos de 100 nanómetros, una dimensión miles de veces inferior al diámetro de un cabello humano.
“Fabricando membranas con poros hidrofílicos de menos de 100 nanómetros, demostramos que puede sostenerse una capa de agua estable incluso con presiones superiores a 72 bar”, explicaron los autores del estudio.
Bajo estas exigentes condiciones de presión, la separación se produce por la solubilidad diferencial: el dióxido de carbono logra atravesar el filtro hasta 40 veces más rápido que el nitrógeno gracias a su particular afinidad con las moléculas de agua.
Resultados experimentales y comparativa técnica
Los investigadores midieron el desempeño del sistema analizando el paso de gases bajo diferentes espesores de la capa de agua y diversos niveles de presión. Los datos revelaron que es posible incrementar la permeancia (la facilidad con la que el gas cruza la membrana) al reducir el grosor de la película acuosa, sin que la selectividad se vea afectada negativamente.
Específicamente, las pruebas con una capa de agua de 190 nanómetros arrojaron los siguientes resultados de rendimiento:
- 11.000 unidades de permeación de gas (GPU).
- Selectividad de 40 respecto al nitrógeno (N₂).
- Selectividad de 26 frente al metano (CH₄).
- Selectividad de 31 comparada con el hidrógeno (H₂).
Esto confirma que la membrana es decenas de veces más eficaz para dejar pasar el CO₂ que otros gases. Además, la integridad del filtro se mantuvo impecable durante más de siete días de pruebas continuas bajo condiciones de alta presión. En contraste, las tecnologías previas de líquidos soportados utilizaban capas mucho más gruesas, lo que restringía la permeancia a menos de 1.000 GPU. Este nuevo desarrollo representa un avance de tres órdenes de magnitud en la capacidad de flujo de gas sin perder precisión.
Hacia una implementación a escala industrial
El equipo también evaluó la viabilidad comercial utilizando materiales de uso común en la industria como la polisulfona de éter (PES) y el polivinilideno fluoruro (PVDF). Sin embargo, al emplear capas de agua más gruesas (cercanas a los 100 micrómetros), la eficiencia de permeancia descendió a 6,1 GPU para PES y 5,1 GPU para PVDF.
“el gran espesor de la capa de agua, que probablemente ocupó todo el grosor de la membrana, condujo a una ruta de difusión más larga para los gases”, señalaron los expertos para explicar esta variación.
A pesar de este reto en el flujo, la selectividad se mantuvo constante en un factor de 40, lo que sugiere que el sistema es escalable si se optimiza el espesor del agua en estos materiales industriales. Las aplicaciones potenciales de estas membranas incluyen:
- Captura de emisiones en centrales eléctricas.
- Procesamiento de gas de síntesis.
- Purificación avanzada de hidrógeno.
- Refinamiento de biogás para uso energético.
Finalmente, los científicos indicaron que los próximos pasos se centrarán en ajustes técnicos para mejorar la permeancia en grandes formatos y asegurar que el sistema resista periodos prolongados en entornos de sequía extrema o ante la presencia de contaminantes industriales.
Fuente: Fuente