Processos industriais para separações químicas, incluindo purificação de gás natural e produção de oxigaªnio e nitrogaªnio para uso médico ou industrial, são coletivamente responsa¡veis ​​por cerca de 15% do uso de energia do mundo. Eles também contribuem com uma quantidade correspondente para as emissaµes mundiais de gases de efeito estufa. Agora, pesquisadores do MIT e da Universidade de Stanford desenvolveram um novo tipo de membrana para realizar esses processos de separação com aproximadamente 1/10 do uso de energia e emissaµes.

O uso de membranas para separação de produtos químicos éconhecido por ser muito mais eficiente do que processos como destilação ou absorção, mas sempre houve uma troca entre permeabilidade - a rapidez com que os gases podem penetrar no material - e seletividade - a capacidade de deixar as moléculas desejadas passar enquanto bloqueia todos os outros. A nova familia de materiais de membrana, baseada em polímeros de “escada de hidrocarboneto”, supera essa compensação, proporcionando alta permeabilidade e seletividade extremamente boa, dizem os pesquisadores.

Os resultados são relatados hoje na revista Science , em um artigo de Yan Xia, professor associado de química em Stanford; Zachary Smith, professor assistente de engenharia química no MIT; Ingo Pinnau, professor da Universidade de Ciência e Tecnologia Rei Abdullah, e outros cinco.

A separação de gases éum processo industrial importante e difundido, cujos usos incluem a remoção de impurezas e compostos indesejados do gás natural ou biogás, separação de oxigaªnio e nitrogaªnio do ar para fins médicos e industriais, separação de dia³xido de carbono de outros gases para captura de carbono e produção de hidrogaªnio para uso como combusta­vel de transporte isento de carbono. As novas membranas de pola­mero em escada são promissoras para melhorar drasticamente o desempenho de tais processos de separação. Por exemplo, separando o dia³xido de carbono do metano, essas novas membranas tem cinco vezes a seletividade e 100 vezes a permeabilidade das membranas celula³sicas existentes para esse fim. Da mesma forma, eles são 100 vezes mais permea¡veis ​​e três vezes mais seletivos para separar o gás hidrogaªnio do metano.

O novo tipo de polímeros, desenvolvido ao longo dos últimos anos pelo laboratório Xia, são chamados de polímeros em escada porque são formados a partir de fitas duplas conectadas por ligações semelhantes a degraus, e essas ligações proporcionam um alto grau de rigidez e estabilidade ao material polimanãrico. Esses polímeros de escada são sintetizados por meio de uma química eficiente e seletiva que o laboratório de Xia desenvolveu chamada CANAL, um acra´nimo para anulação catala­tica de areno-norborneno, que costura produtos químicos prontamente disponí­veis em estruturas de escada com centenas ou atémilhares de degraus. Os polímeros são sintetizados em uma solução, onde formam fitas ra­gidas e dobradas que podem ser facilmente transformadas em uma folha fina com poros em escala subnanomanãtrica usando processos de fundição de polímeros disponí­veis industrialmente. Os tamanhos dos poros resultantes podem ser ajustados atravanãs da escolha dos compostos iniciais de hidrocarbonetos específicos. “Essa química e a escolha de blocos de construção químicos nos permitiram fazer polímeros de escada muito ra­gidos com diferentes configurações”, diz Xia.

Para aplicar os polímeros CANAL como membranas seletivas, a colaboração fez uso da experiência de Xia em polímeros e da especialização de Smith em pesquisa de membranas. Holden Lai, um ex-aluno de doutorado de Stanford, realizou grande parte do desenvolvimento e exploração de como suas estruturas afetam as propriedades de permeação de gás. “Demoramos oito anos desde o desenvolvimento da nova química atéencontrar as estruturas polimanãricas certas que conferem o alto desempenho de separação”, diz Xia.

O laboratório Xia passou os últimos anos variando as estruturas dos polímeros CANAL para entender como suas estruturas afetam seu desempenho de separação. Surpreendentemente, eles descobriram que a adição de dobras adicionais aos seus polímeros CANAL originais melhorou significativamente a robustez meca¢nica de suas membranas e aumentou sua seletividade para moléculas de tamanhos semelhantes, como gases de oxigaªnio e nitrogaªnio, sem perder a permeabilidade do gás mais permea¡vel. A seletividade realmente melhora a  medida que o material envelhece. A combinação de alta seletividade e alta permeabilidade faz com que esses materiais superem todos os outros materiais polimanãricos em muitas separações de gases, dizem os pesquisadores.

Hoje, 15% do uso global de energia vai para separações químicas, e esses processos de separação são “muitas vezes baseados em tecnologias centena¡rias”, diz Smith. “Eles funcionam bem, mas tem uma enorme pegada de carbono e consomem enormes quantidades de energia. O principal desafio hoje étentar substituir esses processos insustenta¡veis”. A maioria desses processos requer altas temperaturas para soluções de ebulição e refervura, e esses geralmente são os processos mais difa­ceis de eletrificar, acrescenta.

Para a separação de oxigaªnio e nitrogaªnio do ar, as duas moléculas diferem em tamanho apenas em cerca de 0,18 angstroms (dez bilionanãsimos de metro), diz ele. Fazer um filtro capaz de separa¡-los com eficiência “éincrivelmente difa­cil de fazer sem diminuir o rendimento”. Mas os novos polímeros de escada, quando fabricados em membranas, produzem poros minaºsculos que atingem alta seletividade, diz ele. Em alguns casos, 10 moléculas de oxigaªnio permeiam para cada nitrogaªnio, apesar da peneira fina necessa¡ria para acessar esse tipo de seletividade de tamanho. Esses novos materiais de membrana tem “a mais alta combinação de permeabilidade e seletividade de todos os materiais polimanãricos conhecidos para muitas aplicações”, diz Smith.

“Como os polímeros CANAL são fortes e daºcteis, e por serem solaºveis em certos solventes, eles podem ser dimensionados para implantação industrial dentro de alguns anos”, acrescenta. Uma empresa derivada do MIT chamada Osmoses, liderada pelos autores deste estudo, venceu recentemente a competição de empreendedorismo de US$ 100 mil do MIT e foi parcialmente financiada pelo The Engine para comercializar a tecnologia.

Ha¡ uma variedade de aplicações potenciais para esses materiais na indústria de processamento qua­mico, diz Smith, incluindo a separação de dia³xido de carbono de outras misturas de gases como forma de redução de emissaµes. Outra possibilidade éa purificação do biogás combusta­vel feito a partir de resíduos agra­colas para fornecer combusta­vel de transporte livre de carbono. A separação de hidrogaªnio para a produção de combusta­vel ou matéria-prima química também pode ser realizada de forma eficiente, ajudando na transição para uma economia baseada no hidrogaªnio.

A equipe unida de pesquisadores continua refinando o processo para facilitar o desenvolvimento de laboratório para escala industrial e para entender melhor os detalhes de como as estruturas macromoleculares e o empacotamento resultam na seletividade ultra-alta. Smith diz que espera que essa tecnologia de plataforma desempenhe um papel em vários caminhos de descarbonização, comea§ando com a separação de hidrogaªnio e captura de carbono, porque háuma necessidade premente dessas tecnologias para fazer a transição para uma economia livre de carbono.

“Estas são novas estruturas impressionantes que tem um excelente desempenho de separação de gases”, diz Ryan Lively, professor associado de engenharia química e biomolecular da Georgia Tech, que não esteve envolvido neste trabalho. “a‰ importante ressaltar que esse desempenho éaprimorado durante o envelhecimento da membrana e quando as membranas são desafiadas com misturas concentradas de gases. … Se eles puderem dimensionar esses materiais e fabricar ma³dulos de membrana, havera¡ um impacto prático potencial significativo.”

A equipe de pesquisa também incluiu Jun Myun Ahn e Ashley Robinson em Stanford, Francesco Benedetti no MIT, agora diretor executivo da Osmoses, e Yingge Wang na Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah na Ara¡bia Saudita. O trabalho foi apoiado pela Stanford Natural Gas Initiative, pela Sloan Research Fellowship, pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, pelo Escrita³rio de Ciências da Energia Ba¡sica e pela National Science Foundation.