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Membranas híbridas polímero-material nanoestructurado poroso para la separación de mezclas gaseosas

Zornoza Encabo, Beatriz
Téllez Ariso, Carlos (dir.) ; Coronas Ceresuela, Joaquín (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2011

Abstract: La presente tesis doctoral titulada "Membranas híbridas polímero-material nanoestructurado poroso para la separación de mezclas gaseosas" se ha llevado a cabo en el Departamento de Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente y en el Instituto de Nanociencia de Aragón (INA) de la Universidad de Zaragoza. En estas dos entidades se ha trabajado dentro del Grupo de Catálisis, Separaciones Moleculares e Ingeniería de Reactores (CREG), y en éste, en el subgrupo dedicado al desarrollo y modificación de materiales nanoestructurados y membranas. En el contexto industrial actual, los procesos de membrana han recibido una atención considerable como tecnología atractiva para las separaciones de mezclas gaseosas y para los procesos de purificación de gases. En este sentido, la tecnología de membranas podría representar una alternativa de separación interesante a nivel comercial debido a su alta eficiencia, procesamiento sencillo, fácil control y naturaleza compacta, además de un menor coste operacional y energético en comparación con los procesos tradicionales de separación (como pueden ser la adsorción, la condensación a baja temperatura o la destilación criogénica, entre otros). Sin embargo, existe un compromiso entre los parámetros clave en la separación de gases: permeabilidad y factor de separación, ya que éste último disminuye al incrementar la permeabilidad del componente gaseoso transportado selectivamente. Entre las diferentes aplicaciones de las membranas para separación de gases la presente tesis doctoral se ha centrado en la purificación de hidrógeno (H2/CH4), la captura de dióxido de carbono de mezclas gaseosas (CO2/N2 y CO2/CH4) y la producción enriquecida de oxígeno y nitrógeno del aire (O2/N2), todas de gran importancia en el sector energético y medioambiental. Las membranas mixtas (MMMs) presentan la ventaja de combinar los aspectos positivos de las dos fases: las superiores propiedades de transporte y mayor estabilidad química y térmica de los tamices moleculares con las deseables propiedades mecánicas, bajo precio y fácil procesamiento industrial de los polímeros. En este sentido, la idea de mezclar estas dos fases podría conducir a una mejora en términos de eficiencia selectiva en la separación de gases con objeto de alcanzar la región atractiva industrialmente. Algunos de los polímeros usados con membranas ya se han modificado con la incorporación de materiales porosos tales como zeolitas, sílice mesoporosa ordenada, sílice no porosa, tamices moleculares de carbón, nanotubos de carbono, compuestos organometálicos porosos (MOFs), etc., para alcanzar valores de selectividad mayores a una permeación dada. Sin embargo, para lograr una limitada mejora, la carga inorgánica utilizada suele ser excesiva. Esto es así porque el material ni tiene el tamaño de poro y compatibilidad adecuados con la fase orgánica, ni tiene el tamaño ni morfología deseable, ni está disperso de una forma homogénea en la matriz polimérica, aspectos a estudiar en este trabajo de tesis doctoral. Para salvar estas limitaciones, los desafíos actuales a los que se enfrentan las investigaciones sobre MMMs están relacionados con la búsqueda de materiales prometedores alternativos a los empleados convencionalmente que ayuden a mitigar los problemas interfaciales entre la matriz orgánica e inorgánica con el fin de alcanzar el rendimiento en la separación deseado. Esta investigación abarca el estudio de materiales nanoestructurados porosos especiales con morfologías adecuadas que permitan un buen contacto entre las fases y una dispersión homogénea en la matriz polimérica, obteniendo las posibles sinergias entre ellos. El plan de trabajo desarrollado se muestra a continuación: 1) Síntesis y caracterización de los diferentes materiales nanoestructurados porosos: a) Materiales mesoporosos ordenados (con estructura tipo MCM-41): esferas de sílice mesoporosa y funcionalización superficial b) Zeolitas: esferas huecas de silicalita-1, cristales y nanopartículas (semillas) de silicalita-1 c) MOFs: HKUST-1 y ZIF-8 (comerciales) y NH2-MIL-53 (estudio de las condiciones de síntesis con diferentes metales y procedimientos) d) Combinación de sílice-zeolita y MOF-zeolita en la misma membrana polimérica 2) Síntesis y estudio de las propiedades de los diferentes polímeros termorrígidos: a) Comerciales polisulfona Udel® y poliimida Matrimid® b) Sintetizados 6FDA-DAM y 6FDA-4MPD:DABA (4:1), con prestaciones funcionales adaptadas a las necesidades específicas 3) Estudio de las condiciones de preparación de membranas híbridas a partir de los diferentes materiales inorgánicos y orgánicos 4) Caracterización de las membranas poliméricas e híbridas con diversas técnicas 5) Medidas de adsorción de los materiales y permeabilidades individuales de gases de las membranas preparadas a diferentes presiones y temperaturas 6) Aplicación de las MMMs para la separación de mezclas binarias equimolares gaseosas de interés energético y medioambiental: H2/CH4, CO2/N2, O2/N2 y CO2/CH4. Obtención del porcentaje de carga inorgánica embebida en la matriz polimérica que maximice el rendimiento permeoselectivo de las MMMs

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