Ci sono decine di tecnologie promettenti in fase di sviluppo che possono ridurre il consumo di energia o catturare il carbonio in campi tra cui biotecnologie, informatica, nanotecnologia, scienza dei materiali, e altro ancora. Non tutto si rivelerà fattibile, ma con un po' di finanziamento e di nutrimento, molti potrebbero aiutare a risolvere la grande sfida del pianeta.

Una di queste soluzioni sta emergendo da nuovi approcci ai processi di separazione industriale. Presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica del MIT, Il professor Zachary Smith sta lavorando a nuove membrane polimeriche che possono ridurre notevolmente il consumo di energia nelle separazioni chimiche. Sta anche conducendo ricerche a più lungo raggio sul miglioramento delle membrane polimeriche con strutture metallo-organiche (MOF) su nanoscala.

"Non solo stiamo realizzando e analizzando materiali dal principio fondamentale del trasporto, termodinamica e reattività, ma stiamo iniziando a prendere quella conoscenza per creare modelli e progettare nuovi materiali con prestazioni di separazione mai raggiunte prima, " Dice Smith. "È entusiasmante passare dalla scala di laboratorio al pensare al grande processo, e cosa farà la differenza nella società".

Smith si consulta spesso con esperti del settore che condividono approfondimenti sulle tecnologie di separazione. Con l'accordo sul clima di Parigi del 2015 finora tenuto insieme, nonostante il ritiro degli Stati Uniti, le industrie chimiche e petrolchimiche in cui Smith si concentra principalmente stanno iniziando a sentire la pressione per ridurre le emissioni. L'industria sta anche cercando di ridurre i costi. Le torri di riscaldamento e raffreddamento utilizzate per le separazioni richiedono una notevole energia, e sono costosi da costruire e mantenere.

I processi industriali utilizzati da soli nelle industrie chimiche e petrolchimiche consumano da un quarto a un terzo dell'energia totale negli Stati Uniti, e le separazioni ne rappresentano circa la metà, dice Smith. Circa la metà del consumo energetico delle separazioni proviene dalla distillazione, un processo che richiede calore estremo, o nel caso della distillazione criogenica, raffreddamento estremo ancora più affamato di energia.

"Richiede molta energia per bollire e ribollire le miscele, ed è ancora più inefficiente perché richiede cambiamenti di fase, " afferma Smith. "La tecnologia di separazione a membrana potrebbe evitare questi cambiamenti di fase e utilizzare molta meno energia. I polimeri possono essere resi privi di difetti, e puoi metterli in selettivo, Pellicole sottili spesse 100 nanometri che potrebbero coprire un campo di calcio".

Molti ostacoli che si frappongono, però. Le separazioni a membrana sono utilizzate solo in una piccola frazione dei processi di separazione dei gas industriali perché le membrane polimeriche "sono spesso inefficienti, e non può eguagliare le prestazioni della distillazione, " dice Smith. "Le attuali membrane non forniscono un throughput sufficiente, chiamato flusso, per applicazioni ad alto volume, e sono spesso chimicamente e fisicamente instabili quando si utilizzano flussi di alimentazione più aggressivi".

Molti di questi problemi di prestazioni derivano dal fatto che i polimeri tendono ad essere amorfi, o entropicamente disordinato. "I polimeri sono facili da lavorare e modellare in geometrie utili, ma lo spazio in cui le molecole possono muoversi attraverso le membrane polimeriche cambia nel tempo, " dice Smith. "È difficile controllare il loro volume libero interno poroso".

Le separazioni più impegnative richiedono una dimensione selettiva tra molecole di solo una frazione di angstrom. Per affrontare questa sfida, lo Smith Lab sta tentando di aggiungere caratteristiche su scala nanometrica e funzionalità chimiche ai polimeri per ottenere separazioni a grana più fine. I nuovi materiali possono "assorbire un tipo di molecola e rigettarne un altro, "dice Smith.

Per creare membrane polimeriche con maggiore produttività e selettività, Il team di Smith sta prendendo nuovi polimeri sviluppati nei laboratori del MIT che possono essere reagiti alla struttura ordinata del modello in tradizionali disordinati, polimeri amorfi. Come spiega, "Quindi li trattiamo post-sinteticamente in modo da modellare in alcune tasche di dimensioni nanometriche che creano percorsi di diffusione".

Sebbene lo Smith Lab abbia riscontrato successo con molte di queste tecniche, raggiungere il flusso richiesto per applicazioni ad alto volume è ancora una sfida. Il problema è complicato dal fatto che esistono più di 200 diversi tipi di processi di separazione della distillazione utilizzati dall'industria chimica e petrolchimica. Tuttavia, questo può anche essere un vantaggio quando si cerca di introdurre una nuova tecnologia:i ricercatori possono cercare una nicchia invece di tentare di cambiare il settore dall'oggi al domani.

"Stiamo cercando obiettivi in ​​cui avremmo il maggior impatto, " afferma Smith. "La nostra tecnologia a membrana ha il vantaggio di offrire un ingombro molto ridotto, in modo da poterli utilizzare in località remote o su piattaforme petrolifere offshore."

A causa delle loro piccole dimensioni e peso, le membrane sono già utilizzate sugli aerei per separare l'azoto dall'aria. L'azoto viene quindi utilizzato per rivestire il serbatoio del carburante per evitare esplosioni come quella che ha abbattuto il volo TWA 800 nel 1996. Le membrane sono state utilizzate anche per la rimozione dell'anidride carbonica nei pozzi di gas naturale remoti, e hanno trovato una nicchia in alcune applicazioni petrolchimiche più grandi come la rimozione dell'idrogeno.

Smith mira ad espandersi in applicazioni che utilizzano tipicamente torri di distillazione criogenica, che richiedono un'energia immensa per produrre freddo estremo. Nell'industria petrolchimica, questi includono etilene-etano, azoto-metano, e separazioni dell'aria. Molti prodotti di consumo in plastica sono fatti di etilene, quindi la riduzione dei costi energetici nella fabbricazione potrebbe generare enormi benefici.

"Con la distillazione criogenica, non solo devi separare molecole di dimensioni simili, ma anche nelle proprietà termodinamiche, " dice Smith. "Le colonne di distillazione possono essere alte 200 o 300 piedi con portate molto elevate, quindi i treni di separazione possono costare fino a miliardi di dollari. L'energia necessaria per estrarre il vuoto e far funzionare i sistemi a -120 gradi Celsius è enorme".

Altre potenziali applicazioni per le membrane polimeriche includono "trovare altri modi per rimuovere la CO2 dall'azoto o dal metano o separare diversi tipi di paraffine o materie prime chimiche, "dice Smith.

Anche la cattura e il sequestro del carbonio sono sul radar. "Se oggi ci fosse un driver economico per catturare la CO2, la cattura del carbonio sarebbe la più grande applicazione in volume per le membrane di un fattore 10, ", dice. "Potremmo creare un materiale simile a una spugna che assorbirebbe la CO2 e la separerebbe in modo efficiente in modo da poterla pressurizzare e immagazzinarla nel sottosuolo".

Una sfida quando si utilizzano membrane polimeriche nelle separazioni di gas è che i polimeri sono tipicamente costituiti da idrocarburi. "Se hai lo stesso tipo di componenti idrocarburici nel tuo polimero che hai nel flusso di alimentazione che stai cercando di separare, il polimero può gonfiarsi o dissolversi o perdere le sue prestazioni di separazione, " afferma Smith. "Stiamo cercando di introdurre componenti non a base di idrocarburi come il fluoro nei polimeri in modo che la membrana interagisca meglio con le miscele a base di idrocarburi".

Smith sta anche sperimentando l'aggiunta di MOF ai polimeri. MOF, che si formano collegando insieme ioni metallici o cluster metallici con un linker organico, potrebbe non solo risolvere il problema degli idrocarburi, ma anche il problema del disordine entropico.

"I MOF ti consentono di formarne uno, Due, o strutture cristalline tridimensionali che sono permanentemente porose, " dice Smith. "Un cucchiaino di MOF ha una superficie interna di un campo da calcio, quindi puoi pensare di funzionalizzare le superfici interne dei MOF per legarsi o rifiutare selettivamente determinate molecole. È inoltre possibile definire la forma e la geometria dei pori per consentire il passaggio di una molecola mentre un'altra viene respinta".

A differenza dei polimeri, Le strutture MOF in genere non cambiano forma, quindi i pori sono molto più persistenti nel tempo. Inoltre, "non si degradano come certi polimeri attraverso un processo noto come invecchiamento, " afferma Smith. "La sfida è come incorporare materiali cristallini in un processo in cui è possibile realizzarli come film sottili. Un approccio che stiamo adottando è disperdere i MOF in polimeri come nanoparticelle. Ciò consentirebbe di sfruttare l'efficienza e la produttività dei MOF mantenendo la lavorabilità del polimero".

Un potenziale vantaggio dell'introduzione di membrane polimeriche potenziate con MOF è l'intensificazione del processo:raggruppare diversi processi di separazione o catalitici in un unico passaggio per ottenere maggiori efficienze. "Si può pensare di combinare un tipo di materiale MOF che potrebbe separare una miscela di gas e consentire alla miscela di subire allo stesso tempo una reazione catalitica, " dice Smith. "Alcuni MOF possono anche agire come agenti di reticolazione. Invece di usare polimeri direttamente reticolati tra loro, si possono avere collegamenti tra particelle MOF disperse in una matrice polimerica, che creerebbe più stabilità per le separazioni."

A causa della loro natura porosa, I MOF possono essere potenzialmente utilizzati per "catturare idrogeno, metano, o anche in alcuni casi CO2, " dice Smith. "Puoi ottenere un assorbimento molto alto se crei il giusto tipo di struttura spugnosa. È una sfida, però, per trovare materiali che legano selettivamente uno di questi componenti ad altissima capacità."

Un'applicazione simile per i MOF sarebbe lo stoccaggio di idrogeno o gas naturale per il rifornimento di un'auto. "Utilizzare un materiale poroso nel serbatoio del carburante ti permetterebbe di contenere più idrogeno o metano, "dice Smith.

Smith avverte che la ricerca MOF potrebbe richiedere decenni prima di raggiungere i suoi frutti. La ricerca sui polimeri del suo laboratorio, però, è molto più avanti, con soluzioni commerciali previste nei prossimi 5-10 anni.

"Potrebbe essere un vero punto di svolta, " lui dice.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.