Separación de gases por membrana

Tecnología para separar gases específicos de mezclas

Las mezclas de gases se pueden separar eficazmente mediante membranas sintéticas hechas de polímeros como poliamida o acetato de celulosa , o de materiales cerámicos. ^[1]

Cartucho de membrana

Si bien las membranas poliméricas son económicas y tecnológicamente útiles, están limitadas por su rendimiento, conocido como el límite de Robeson (la permeabilidad debe sacrificarse por la selectividad y viceversa). ^[2] Este límite afecta el uso de membranas poliméricas para la separación de CO2 _de las corrientes de gases de combustión, ya que el transporte de masa se vuelve limitante y la separación de CO2 _se vuelve muy costosa debido a las bajas permeabilidades. Los materiales de membrana se han expandido al reino de la sílice , las zeolitas , los marcos metalorgánicos y las perovskitas debido a su fuerte resistencia térmica y química, así como a su alta capacidad de ajuste (capacidad de modificarse y funcionalizarse), lo que lleva a una mayor permeabilidad y selectividad. Las membranas se pueden utilizar para separar mezclas de gases donde actúan como una barrera permeable a través de la cual diferentes compuestos se mueven a diferentes velocidades o no se mueven en absoluto. Las membranas pueden ser nanoporosas, poliméricas, etc. y las moléculas de gas penetran según su tamaño, difusividad o solubilidad.

Proceso básico

La separación de gases a través de una membrana es un proceso impulsado por la presión, donde la fuerza impulsora es la diferencia de presión entre la entrada de la materia prima y la salida del producto. La membrana utilizada en el proceso es una capa generalmente no porosa, por lo que no habrá una fuga grave de gas a través de la membrana. El rendimiento de la membrana depende de la permeabilidad y la selectividad. La permeabilidad se ve afectada por el tamaño del penetrante. Las moléculas de gas más grandes tienen un coeficiente de difusión menor. La flexibilidad de la cadena de polímero y el volumen libre en el polímero del material de la membrana influyen en el coeficiente de difusión, ya que el espacio dentro de la membrana permeable debe ser lo suficientemente grande para que las moléculas de gas se difundan a través de ella. La solubilidad se expresa como la relación entre la concentración del gas en el polímero y la presión del gas en contacto con él. La permeabilidad es la capacidad de la membrana para permitir que el gas permeable se difunda a través del material de la membrana como consecuencia de la diferencia de presión sobre la membrana, y se puede medir en términos de la velocidad de flujo del permeado, el espesor y el área de la membrana y la diferencia de presión a través de la membrana. La selectividad de una membrana es una medida de la relación de permeabilidad de los gases relevantes para la membrana. Puede calcularse como la relación de permeabilidad de dos gases en separación binaria. ^[3]

El equipo de separación de gases por membrana normalmente bombea gas al módulo de membrana y los gases objetivo se separan en función de la diferencia de difusividad y solubilidad. Por ejemplo, el oxígeno se separará del aire ambiente y se recogerá en el lado de aguas arriba, y el nitrógeno en el lado de aguas abajo. En 2016, se informó que la tecnología de membrana era capaz de producir de 10 a 25 toneladas de oxígeno al 25 a 40 % por día. ^[3]

Metodología de gobierno por membrana

(a) Flujo a granel a través de poros; (b) Difusión de Knudsen a través de poros; (c) tamizado molecular; (d) difusión de solución a través de membranas densas.

Existen tres mecanismos principales de difusión . El primero (b), la difusión de Knudsen , se da a presiones muy bajas, donde las moléculas más ligeras pueden moverse a través de una membrana más rápido que las pesadas, en un material con poros razonablemente grandes. ^[4] El segundo (c), el tamizado molecular , es el caso en el que los poros de la membrana son demasiado pequeños para dejar pasar un componente, un proceso que normalmente no es práctico en aplicaciones de gas, ya que las moléculas son demasiado pequeñas para diseñar poros relevantes. En estos casos, el movimiento de las moléculas se describe mejor mediante un flujo convectivo impulsado por presión a través de capilares, que se cuantifica mediante la ley de Darcy . Sin embargo, el modelo más general en aplicaciones de gas es la difusión en solución (d), donde las partículas se disuelven primero en la membrana y luego se difunden a través de ella, ambas a diferentes velocidades. Este modelo se emplea cuando los poros en la membrana de polímero aparecen y desaparecen más rápido en relación con el movimiento de las partículas. ^[5]

En un sistema de membrana típico, la corriente de alimentación entrante se separa en dos componentes: permeante y retenido. El permeante es el gas que viaja a través de la membrana y el retenido es lo que queda de la alimentación. En ambos lados de la membrana, se mantiene un gradiente de potencial químico mediante una diferencia de presión que es la fuerza impulsora para que las moléculas de gas pasen a través de ella. La facilidad de transporte de cada especie se cuantifica mediante la permeabilidad , P _i . Con los supuestos de mezcla ideal en ambos lados de la membrana, la ley de los gases ideales , el coeficiente de difusión constante y la ley de Henry , el flujo de una especie se puede relacionar con la diferencia de presión mediante la ley de Fick : ^[4]

${\displaystyle J_{i}={\frac {D_{i}K_{i}(p_{i}'-p_{i}'')}{l}}={\frac {P_{i}(p_{i}'-p_{i}'')}{l}}}$

donde, (J _i ) es el flujo molar de la especie i a través de la membrana, (l) es el espesor de la membrana, (P _i ) es la permeabilidad de la especie i, (D _i ) es la difusividad, (K _i ) es el coeficiente de Henry, y (p _i ^' ) y (p _i ^" ) representan las presiones parciales de la especie i en el lado de alimentación y permeante respectivamente. El producto de D _i K _i se expresa a menudo como la permeabilidad de la especie i, en la membrana específica que se utiliza.

${\displaystyle P_{i}=D_{i}K_{i}}$

El flujo de una segunda especie, j, se puede definir como:

${\displaystyle J_{j}={\frac {P_{j}(p_{j}'-p_{j}'')}{l}}}$

Esquema de diseño simplificado de un proceso de separación por membrana.

Con la expresión anterior, se puede definir de forma suficiente un sistema de membranas para una mezcla binaria. Se puede observar que el flujo total a través de la membrana depende en gran medida de la relación entre las presiones de alimentación y permeado. La relación entre la presión de alimentación (p ^' ) y la presión de permeado (p ^" ) se define como la relación de presiones de la membrana (θ).

${\displaystyle \theta ={\frac {P'}{P''}}}$

De lo anterior se desprende claramente que un flujo de especies i o j a través de la membrana sólo puede producirse cuando:

${\displaystyle p_{i}'-p_{i}''=p'n_{i}'-p''n_{i}''\neq 0}$

En otras palabras, la membrana experimentará flujo a través de ella cuando exista un gradiente de concentración entre la alimentación y el permeado. Si el gradiente es positivo, el flujo irá desde la alimentación al permeado y la especie i se separará de la alimentación.

${\displaystyle p'n_{i}'-p''n_{i}''>0\rightarrow {\frac {n_{i}''}{n_{i}'}}\leq {\frac {p'}{p''}}}$

Por tanto, la separación máxima de las especies i resulta de:

${\displaystyle n_{i}'',max''={\frac {p'}{p''}}n_{i}'=\theta n_{i}'}$

Otro coeficiente importante a la hora de elegir la membrana óptima para un proceso de separación es la selectividad de la membrana α _ij definida como la relación de la permeabilidad de la especie i con respecto a la especie j.

${\displaystyle \alpha _{ij}={\frac {P_{i}}{P_{j}}}}$

Este coeficiente se utiliza para indicar el nivel al que la membrana es capaz de separar las especies i de j. De la expresión anterior se desprende claramente que una selectividad de membrana de 1 indica que la membrana no tiene potencial para separar los dos gases, ya que ambos gases se difundirán por igual a través de la membrana.

En el diseño de un proceso de separación, normalmente la relación de presiones y la selectividad de la membrana se determinan en función de las presiones del sistema y de la permeabilidad de la membrana. El nivel de separación alcanzado por la membrana (concentración de las especies a separar) debe evaluarse en función de los parámetros de diseño antes mencionados para evaluar la relación coste-beneficio del sistema.

Rendimiento de la membrana

La concentración de las especies i y j a través de la membrana se puede evaluar en función de sus respectivos flujos de difusión a través de ella.

${\displaystyle n_{i}''={\frac {J_{i}}{\sum {J_{k}}}},\quad n_{j}''={\frac {J_{j}}{\sum {J_{k}}}}}$

En el caso de una mezcla binaria, la concentración de la especie i a través de la membrana:

${\displaystyle n_{i}''={\frac {J_{i}}{J_{i}+J_{j}}}}$

Esto se puede ampliar aún más para obtener una expresión de la forma:

${\displaystyle n_{i}''=n_{i}''(\phi ,\alpha _{ij},n_{i}^{'})}$

${\displaystyle n_{i}''={\frac {J_{i}}{J_{i}+J_{j}}}={\frac {P_{i}(p_{i}'-p_{i}'')}{P_{i}(p_{i}'-p_{i}'')+P_{j}(n_{j}'-{\frac {1}{\phi }}n_{j}'')}}}$

Usando las relaciones:

${\displaystyle p_{i}'=p'n_{i}',\quad p_{j}'=p'n_{j}'={\frac {p'}{\phi }}n_{i}'}$

${\displaystyle p_{i}''=p''n_{i}',\quad p_{j}''=p''n_{j}''={\frac {p'}{\phi }}n_{i}''}$

La expresión se puede reescribir como:

${\displaystyle n_{i}''={\frac {P_{i}p'(n_{i}'-{\frac {1}{\phi }}n_{i}'')}{P_{i}p'(n_{i}'-{\frac {1}{\phi }}n_{i}'')+P_{j}p'(n_{j}'-{\frac {1}{\phi }}n_{j}'')}}}$

Luego usando ${\displaystyle n_{j}'=1-n_{i}'\quad and\quad n_{j}''=1-n_{i}''}$

${\displaystyle n_{i}''={\frac {P_{i}p'(n_{i}'-{\frac {1}{\phi }}n_{i}'')}{P_{i}p'(n_{i}'-{\frac {1}{\phi }}n_{i}'')+P_{j}p'((1-n_{i}')-{\frac {1}{\phi }}(1-n_{i}''))}}}$

${\displaystyle (1-\alpha )(n_{i}'')^{2}+(\phi +\phi (\alpha -1)n_{i}'+\alpha -1)n_{i}''-\alpha \phi n_{i}'=0}$ ^[6]

La solución de la expresión cuadrática anterior se puede expresar como:

${\displaystyle n_{i}={\frac {-(\phi +\phi (\alpha -1)n_{i}'+\alpha -1)\pm {\sqrt {\phi +\phi (\alpha -1)n_{i}'+\alpha -1)^{2}+4(1-\alpha )\alpha \phi n_{i}'}}}{2(1-\alpha )}}}$

Finalmente, una expresión para la concentración de permeante se obtiene de la siguiente manera:

${\displaystyle n_{i}''(\phi \alpha n_{i}')={\frac {\phi }{2}}\left(n_{i}'+{\frac {1}{\phi }}+{\frac {1}{\alpha -1}}-{\sqrt {\left(n_{i}'+{\frac {1}{\phi }}+{\frac {1}{\alpha -1}}\right)^{2}-{\frac {4\alpha n_{i}'}{(\alpha -1)\phi }}}}\right)}$

A lo largo de la unidad de separación, la concentración de la alimentación decae con la difusión a través de la membrana, lo que hace que la concentración en la membrana disminuya en consecuencia. Como resultado, el flujo permeable total (q" _out ) resulta de la integración del flujo de difusión a través de la membrana desde la entrada de alimentación (q'in ₎ hasta la salida de alimentación (q'out ₎ . Por lo tanto, un balance de masa a lo largo de una longitud diferencial de la unidad de separación es:

${\displaystyle q'(x)=q'(x+dx)+\int _{x}^{x+dx}q''(x)dx}$

dónde:

${\displaystyle q''(x)=J_{i}(x)+J_{j}(x)}$

Debido a la naturaleza binaria de la mezcla, sólo es necesario evaluar una especie. Si se establece una función n' _i = n' _i (x), el balance de especies se puede reescribir como:

${\displaystyle q'(x)n'_{i}(x)=q'(x+\Delta x)n'_{i}(x+\Delta x)+\int _{x}^{x+dx}q''(x)dx{\bar {n_{i}''}}}$

Dónde:

${\displaystyle \int _{x}^{x+dx}q''(x)dx=\delta q'',\quad {\bar {n_{i}''}}={\frac {n_{i}''(x)+n_{i}''(x+\Delta x)}{2}}}$

${\displaystyle \delta q''={\frac {n'_{i}(x)-n'_{i}(x+\Delta x)}{{\bar {n_{i}''}}-n'_{i}(x+\Delta x)}}q'(x)}$

Por último, el área requerida por unidad de longitud de membrana se puede obtener mediante la siguiente expresión:

${\displaystyle A={\frac {\delta q''}{J_{i}+J_{j}}}}$

Materiales de membrana para la captura de carbono en corrientes de gases de combustión

El material de la membrana desempeña un papel importante en su capacidad para proporcionar las características de rendimiento deseadas. Es óptimo tener una membrana con una alta permeabilidad y una selectividad suficiente y también es importante adaptar las propiedades de la membrana a las condiciones de funcionamiento del sistema (por ejemplo, presiones y composición del gas).

Las membranas sintéticas están hechas de una variedad de polímeros, incluidos polietileno , poliamidas , poliimidas , acetato de celulosa , polisulfona y polidimetilsiloxano . ^[7]

Membranas poliméricas

Las membranas poliméricas son una opción común para su uso en la captura de CO2 _de los gases de combustión debido a la madurez de la tecnología en una variedad de industrias, en particular la petroquímica. La membrana polimérica ideal tiene tanto una alta selectividad como permeabilidad . Las membranas poliméricas son ejemplos de sistemas en los que predomina el mecanismo de difusión de la solución. Se considera que la membrana tiene agujeros que el gas puede disolver (solubilidad) y las moléculas pueden moverse de una cavidad a la otra (difusión). ^[4]

Robeson descubrió a principios de los años 90 que los polímeros con una alta selectividad tienen una baja permeabilidad y lo contrario es cierto; los materiales con una baja selectividad tienen una alta permeabilidad. Esto se ilustra mejor en un gráfico de Robeson donde la selectividad se representa gráficamente como una función de la permeabilidad de CO2 _. En este gráfico, el límite superior de la selectividad es aproximadamente una función lineal de la permeabilidad. Se descubrió que la solubilidad en polímeros es en su mayoría constante, pero los coeficientes de difusión varían significativamente y aquí es donde ocurre la ingeniería del material. De manera algo intuitiva, los materiales con los coeficientes de difusión más altos tienen una estructura de poro más abierta, perdiendo así selectividad. ^{[8] [9]} Hay dos métodos que los investigadores están utilizando para romper el límite de Robeson, uno de ellos es el uso de polímeros vítreos cuya transición de fase y cambios en las propiedades mecánicas hacen que parezca que el material está absorbiendo moléculas y, por lo tanto, supera el límite superior. El segundo método para ampliar los límites del límite de Robeson es mediante el método de transporte facilitado. Como se dijo anteriormente, la solubilidad de los polímeros suele ser bastante constante, pero el método de transporte facilitado utiliza una reacción química para mejorar la permeabilidad de un componente sin cambiar la selectividad. ^[10]

Membranas nanoporosas

Modelo microscópico de una membrana nanoporosa. La zona blanca abierta representa el área por la que puede pasar la molécula y las zonas de color azul oscuro representan las paredes de la membrana. Los canales de la membrana están formados por cavidades y ventanas. La energía de las moléculas en la cavidad es U _c y la energía de una partícula en la ventana es U _w .

Las membranas nanoporosas son fundamentalmente diferentes de las membranas basadas en polímeros en que su química es diferente y que no siguen el límite de Robeson por una variedad de razones. La figura simplificada de una membrana nanoporosa muestra una pequeña porción de un ejemplo de estructura de membrana con cavidades y ventanas. La porción blanca representa el área donde la molécula puede moverse y las áreas sombreadas en azul representan las paredes de la estructura. En la ingeniería de estas membranas, el tamaño de la cavidad (L _cy x L _cz ) y la región de la ventana (L _wy x L _wz ) se pueden modificar para lograr la permeabilidad deseada. Se ha demostrado que la permeabilidad de una membrana es la producción de adsorción y difusión. En condiciones de baja carga, la adsorción se puede calcular mediante el coeficiente de Henry. ^[4]

Si se parte del supuesto de que la energía de una partícula no cambia al moverse a través de esta estructura, solo cambia la entropía de las moléculas en función del tamaño de las aberturas. Si consideramos primero los cambios en la geometría de la cavidad, cuanto más grande sea la cavidad, mayor será la entropía de las moléculas absorbidas, lo que hace que el coeficiente de Henry sea mayor. En el caso de la difusión, un aumento de la entropía conducirá a una disminución de la energía libre, lo que a su vez conduce a una disminución del coeficiente de difusión. Por el contrario, cambiar la geometría de la ventana afectará principalmente a la difusión de las moléculas y no al coeficiente de Henry.

En resumen, utilizando el análisis simplificado anterior, es posible entender por qué el límite superior de la línea de Robeson no se cumple para las nanoestructuras. En el análisis, tanto los coeficientes de difusión como los de Henry se pueden modificar sin afectar la permeabilidad del material, que por lo tanto puede superar el límite superior para las membranas poliméricas. ^[4]

Membranas de sílice

Las membranas de sílice son mesoporosas y pueden fabricarse con alta uniformidad (la misma estructura en toda la membrana). La alta porosidad de estas membranas les da permeabilidades muy altas. Las membranas sintetizadas tienen superficies lisas y pueden modificarse en la superficie para mejorar drásticamente la selectividad. La funcionalización de las superficies de las membranas de sílice con moléculas que contienen amina (en la superficie, grupos silanol ) permite que las membranas separen el CO2 _de las corrientes de gases de combustión de manera más efectiva. ^[2] La funcionalización de la superficie (y, por lo tanto, la química) se puede ajustar para que sea más eficiente para las corrientes de gases de combustión húmedas en comparación con las corrientes de gases de combustión secas. ^[11] Si bien anteriormente, las membranas de sílice eran poco prácticas debido a su escalabilidad técnica y costo (son muy difíciles de producir de manera económica a gran escala), ha habido demostraciones de un método simple para producir membranas de sílice sobre soportes poliméricos huecos. Estas demostraciones indican que los materiales y métodos económicos pueden separar eficazmente el CO2 _y el _N2 . ^[12] Las membranas de sílice mesoporosas ordenadas han demostrado un potencial considerable para la modificación de la superficie que permite una fácil separación del CO2 _. La funcionalización de la superficie con aminas conduce a la formación reversible de carbamatos (durante el flujo de CO2 ₎ , lo que aumenta significativamente la selectividad del CO2 _. [ ^12]

Membranas de zeolita

Una zeolita típica. Las capas delgadas de esta estructura cristalina de zeolita pueden actuar como una membrana, ya que el CO2 _puede adsorberse dentro de los poros.

Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos con una estructura regular y repetitiva de poros de tamaño molecular. Las membranas de zeolita separan selectivamente las moléculas en función del tamaño de los poros y la polaridad y, por lo tanto, son muy adaptables a procesos específicos de separación de gases. En general, las moléculas más pequeñas y aquellas con propiedades de adsorción de zeolita más fuertes se adsorben en las membranas de zeolita con mayor selectividad. La capacidad de discriminar en función del tamaño molecular y la afinidad de adsorción hace que las membranas de zeolita sean un candidato atractivo para la separación de CO ₂ de N ₂ , CH ₄ y H ₂ .

Los científicos han descubierto que la entalpía (calor) de adsorción en fase gaseosa sobre zeolitas aumenta de la siguiente manera: H ₂ < CH ₄ < N ₂ < CO ₂ . ^[13] En general, se acepta que el CO ₂ tiene la mayor energía de adsorción porque tiene el mayor momento cuadrupolar , lo que aumenta su afinidad por los poros de zeolita cargados o polares. A bajas temperaturas, la capacidad de adsorción de la zeolita es grande y la alta concentración de moléculas de CO ₂ adsorbidas bloquea el flujo de otros gases. Por lo tanto, a temperaturas más bajas, el CO ₂ permea selectivamente a través de los poros de la zeolita. Varios esfuerzos de investigación recientes se han centrado en el desarrollo de nuevas membranas de zeolita que maximicen la selectividad del CO ₂ aprovechando los fenómenos de bloqueo a baja temperatura.

Los investigadores han sintetizado membranas de zeolita de tipo Y (Si:Al>3) que alcanzan factores de separación a temperatura ambiente de 100 y 21 para mezclas de CO2 _/ N2 _y CO2 _/ CH4 _{respectivamente} . ^[14] Las membranas de tipo DDR y SAPO-34 también han demostrado ser prometedoras en la separación de CO2 _y CH4 _a una variedad de presiones y composiciones de alimentación. ^{[15] [16]} Las membranas SAPO-34, al ser selectivas para el nitrógeno, también son fuertes candidatas para el proceso de endulzamiento de gas natural. ^{[17] [18] [19]}

Los investigadores también han hecho un esfuerzo para utilizar membranas de zeolita para la separación de H ₂ de los hidrocarburos. El hidrógeno se puede separar de hidrocarburos más grandes como C ₄ H ₁₀ con alta selectividad. Esto se debe al efecto de tamizado molecular ya que las zeolitas tienen poros mucho más grandes que el H ₂ , pero más pequeños que estos hidrocarburos grandes. Los hidrocarburos más pequeños como CH ₄ , C ₂ H ₆ y C ₃ H ₈ son lo suficientemente pequeños como para no ser separados por tamizado molecular. Los investigadores lograron una mayor selectividad del hidrógeno al realizar la separación a altas temperaturas, probablemente como resultado de una disminución en el efecto de adsorción competitiva. ^[20]

Membranas de estructura metalorgánica (MOF)

Se han producido avances en los marcos de imidazolato zeolítico (ZIF), una subclase de marcos metalorgánicos (MOF), que han permitido que sean útiles para la separación de dióxido de carbono de las corrientes de gases de combustión. Se ha realizado un modelado exhaustivo para demostrar el valor de utilizar MOF como membranas. ^{[21] [22]} Los materiales MOF se basan en la adsorción y, por lo tanto, se pueden ajustar para lograr selectividad. ^[23] El inconveniente de los sistemas MOF es la estabilidad en agua y otros compuestos presentes en las corrientes de gases de combustión. Algunos materiales, como el ZIF-8, han demostrado estabilidad en agua y benceno, contenidos que a menudo están presentes en las mezclas de gases de combustión. El ZIF-8 se puede sintetizar como una membrana sobre un soporte de alúmina porosa y ha demostrado ser eficaz para separar el CO2 _de las corrientes de gases de combustión. Con una selectividad de CO2/CH4 similar _a la _de las membranas de zeolita de tipo Y, las membranas ZIF-8 logran una permeabilidad al CO2 sin precedentes _, dos órdenes de magnitud por encima del estándar anterior. ^[24]

Estructura de una perovskita. Una membrana estaría formada por una fina capa de estructura de perovskita.

Membranas de perovskita

Las perovskitas son óxidos metálicos mixtos con una estructura cúbica bien definida y una fórmula general de ABO ₃ , donde A es un elemento alcalinotérreo o lantánido y B es un metal de transición . Estos materiales son atractivos para la separación de CO ₂ debido a la capacidad de ajuste de los sitios metálicos, así como a su estabilidad a temperaturas elevadas.

La separación de CO ₂ de N ₂ se investigó con una membrana de α-alúmina impregnada con BaTiO ₃ . ^[25] Se encontró que la adsorción de CO ₂ era favorable a altas temperaturas debido a una interacción endotérmica entre CO ₂ y el material, promoviendo CO ₂ móvil que mejoró la tasa de adsorción-desorción de CO ₂ y la difusión superficial. El factor de separación experimental de CO ₂ a N ₂ se encontró que era 1.1-1.2 a 100 °C a 500 °C, que es más alto que el límite del factor de separación de 0.8 predicho por la difusión de Knudsen . Aunque el factor de separación fue bajo debido a los poros observados en la membrana, esto demuestra el potencial de los materiales de perovskita en su química de superficie selectiva para la separación de CO ₂ .

Otras tecnologías de membranas

En casos especiales se pueden utilizar otros materiales; por ejemplo, las membranas de paladio permiten el transporte únicamente de hidrógeno. ^[26] Además de las membranas de paladio (que normalmente son aleaciones de paladio y plata para evitar la fragilización de la aleación a temperaturas más bajas), también hay un importante esfuerzo de investigación que busca encontrar alternativas que no sean de metales preciosos. Sin embargo, la lenta cinética de intercambio en la superficie de la membrana y la tendencia de las membranas a agrietarse o desintegrarse después de una serie de ciclos de trabajo o durante el enfriamiento son problemas que aún no se han resuelto por completo. ^[27]

Construcción

Las membranas suelen estar contenidas en uno de tres módulos: ^[7]

• Haces de fibras huecas en un módulo metálico
• Haces enrollados en espiral en un módulo metálico
• Módulo de placas y marcos construido como un intercambiador de calor de placas y marcos

Usos

Las membranas se emplean en: ^[1]

• La separación de nitrógeno u oxígeno del aire (generalmente sólo hasta el 99,5%)
• Separación de hidrógeno de gases como el nitrógeno y el metano.
• Recuperación de hidrógeno a partir de corrientes de productos de plantas de amoniaco
• Recuperación de hidrógeno en procesos de refinería de petróleo
• Separación del metano de los demás componentes del biogás
• Enriquecimiento del aire con oxígeno para fines médicos o metalúrgicos. Uno de los métodos utilizados para la producción comercial de gas respirable Nitrox para buceo submarino .
• Enriquecimiento del espacio vacío con nitrógeno en sistemas de inertización diseñados para evitar explosiones en tanques de combustible
• Eliminación de vapor de agua del gas natural y otros gases
• Eliminación de SO 2 , CO 2 y H ₂ S del gas natural (membranas de poliamida)
• Eliminación de líquidos orgánicos volátiles (VOL) del aire de las corrientes de escape

Separación de aire

El aire enriquecido con oxígeno tiene una gran demanda para una variedad de aplicaciones médicas e industriales, incluidos los procesos químicos y de combustión. La destilación criogénica es la tecnología madura para la separación de aire comercial para la producción de grandes cantidades de oxígeno y nitrógeno de alta pureza. Sin embargo, es un proceso complejo, consume mucha energía y, por lo general, no es adecuado para la producción a pequeña escala. La adsorción por oscilación de presión también se usa comúnmente para la separación de aire y también puede producir oxígeno de alta pureza a tasas de producción medias, pero aún requiere un espacio considerable, una gran inversión y un alto consumo de energía. El método de separación de gases por membrana es un proceso sostenible y de impacto ambiental relativamente bajo que proporciona producción continua, operación simple, requisitos de presión/temperatura más bajos y requisitos de espacio compactos. ^{[28] [3]}

Estado actual del CO2captura con membranas

Se han llevado a cabo muchas investigaciones para utilizar membranas en lugar de absorción o adsorción para la captura de carbono de las corrientes de gases de combustión, sin embargo, no existen proyectos actuales ^{[ ¿cuándo? ]} que utilicen membranas. La ingeniería de procesos junto con los nuevos desarrollos en materiales han demostrado que las membranas tienen el mayor potencial de bajo consumo de energía y bajo costo en comparación con las tecnologías de la competencia. ^{[4] [10] [29]}

Fondo

En la actualidad, las membranas se utilizan para separaciones comerciales que involucran: N ₂ del aire, H ₂ del amoníaco en el proceso Haber-Bosch , purificación de gas natural y suministro de recuperación mejorada de petróleo a nivel terciario . ^[30]

Las operaciones con membranas de una sola etapa implican una sola membrana con un valor de selectividad. Las membranas de una sola etapa se utilizaron por primera vez en la purificación de gas natural, separando el CO2 _del metano. ^[30] Una desventaja de las membranas de una sola etapa es la pérdida de producto en el permeado debido a las restricciones impuestas por el valor único de selectividad. Aumentar la selectividad reduce la cantidad de producto perdido en el permeado, pero se produce a costa de requerir una mayor diferencia de presión para procesar una cantidad equivalente de una corriente de humos. En la práctica, la relación de presión máxima económicamente posible es de alrededor de 5:1. ^[31]

Para combatir la pérdida de producto en el permeado de la membrana, los ingenieros utilizan “procesos en cascada” en los que el permeado se recomprime y se interconecta con membranas adicionales de mayor selectividad. ^[30] Las corrientes de retentato se pueden reciclar, lo que logra un mejor rendimiento del producto.

Necesidad de un proceso de múltiples etapas

Los dispositivos de membranas de una sola etapa no son factibles para obtener una alta concentración de material separado en la corriente de permeado . Esto se debe al límite de la relación de presión que es económicamente poco realista superar. Por lo tanto, se requiere el uso de membranas de múltiples etapas para concentrar la corriente de permeado. El uso de una segunda etapa permite utilizar menos área de membrana y energía. Esto se debe a la mayor concentración que pasa por la segunda etapa, así como al menor volumen de gas que debe procesar la bomba. ^{[31] [10]} Otros factores, como agregar otra etapa que utiliza aire para concentrar la corriente, reducen aún más el costo al aumentar la concentración dentro de la corriente de alimentación. ^[10] Los métodos adicionales, como la combinación de múltiples tipos de métodos de separación, permiten la variación en la creación de diseños de procesos económicos.

Uso de membranas en procesos híbridos

Los procesos híbridos tienen una larga historia de separación de gases. ^[32] Normalmente, las membranas se integran en procesos ya existentes de modo que se puedan adaptar a sistemas de captura de carbono ya existentes.

MTR, Membrane Technology and Research Inc. y UT Austin han trabajado para crear procesos híbridos, utilizando tanto absorción como membranas, para la captura de CO2 _. Primero, una columna de absorción que utiliza piperazina como solvente absorbe aproximadamente la mitad del dióxido de carbono en el gas de combustión, luego el uso de una membrana da como resultado una captura del 90%. ^[33] También se puede utilizar una configuración paralela, en la que los procesos de membrana y absorción ocurren simultáneamente. Generalmente, estos procesos son más efectivos cuando el contenido más alto de dióxido de carbono ingresa a la columna de absorción de amina. La incorporación de procesos de diseño híbridos permite la modernización en plantas de energía de combustibles fósiles . ^[33]

Los procesos híbridos también pueden utilizar destilación criogénica y membranas. ^[34] Por ejemplo, el hidrógeno y el dióxido de carbono se pueden separar, primero utilizando la separación criogénica de gas, por la cual la mayor parte del dióxido de carbono sale primero, luego utilizando un proceso de membrana para separar el dióxido de carbono restante, después de lo cual se recicla para otros intentos de separación criogénica. ^[34]

Análisis de costos

El costo limita la relación de presión en una etapa de separación de CO2 por membrana a un valor de 5; relaciones de presión más altas eliminan cualquier viabilidad económica para la captura de CO2 _utilizando procesos de membrana. ^{[10] [35] Estudios recientes han demostrado que los procesos de captura/separación} _{de CO2} en múltiples etapas que utilizan membranas pueden ser económicamente competitivos con tecnologías más antiguas y comunes, como la absorción basada en aminas . ^{[10] [34]} Actualmente, los procesos de absorción basados ​​en membranas y aminas pueden diseñarse para producir una tasa de captura de CO2 del 90% _. [ ^{29] [10] [35] [36] [33] [34]} Para la captura de carbono en una planta de energía a carbón promedio de 600 MW, el costo de la captura de CO2 _utilizando la absorción basada en aminas está en el rango de $40–100 por tonelada de CO2 _, mientras que el costo de la captura de CO2 _utilizando la tecnología de membrana actual (incluidos los esquemas de diseño de procesos actuales) es de aproximadamente $23 por tonelada de _CO2 . ^[10] Además, ejecutar un proceso de absorción basado en aminas en una planta de energía a carbón de 600 MW promedio consume alrededor del 30% de la energía generada por la planta de energía, mientras que ejecutar un proceso de membrana requiere alrededor del 16% de la energía generada. ^[10] El transporte de CO _{2 (por ejemplo, a sitios} de secuestro geológico o para ser utilizado para EOR ) cuesta alrededor de $ 2-5 por tonelada de CO ₂ . ^[10] Este costo es el mismo para todos los tipos de procesos de captura / separación de CO ₂ , como la separación y absorción de membrana. ^[10] En términos de dólares por tonelada de CO ₂ capturado , los procesos de membrana menos costosos que se están estudiando en este momento son los procesos de flujo / barrido en contracorriente de múltiples pasos . ^{[29] [10] [35] [36] [33] [34]}

Véase también

• Barrer  : unidad de permeabilidad al gas no perteneciente al SI
• Gas industrial  – Materiales gaseosos producidos para su uso en la industria.
• Sistema de soporte vital primario  : dispositivo de soporte vital para un traje espacial
• Tecnología de membranas para la generación de nitrógeno

Referencias

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