Siete procesos de separación química para cambiar el mundo

Los procesos industriales de separación química basados ​​en tecnologías térmicas, tales como la destilación, representan entre el 10 y el 15 por ciento del consumo anual de energía del mundo. Reducir el consumo de energía de las tecnologías de producción de combustibles, plásticos, alimentos y otros productos provocaría, por tanto, un gran alivio para la necesidad mundial de energía.

En un artículo-comentario publicado en la revista Nature, dos investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia (GA Tech, EE.UU.) sugieren siete procesos de separación intensivos en energía que creen que deberían ser los objetivos principales de la investigación en tecnologías de purificación de baja energía.

Además de reducir el uso de energía, estas técnicas para separar productos químicos a partir de mezclas también reducirían la contaminación, las emisiones de dióxido de carbono, y abrirían nuevas formas de obtener recursos cruciales que el mundo necesita.

Las tecnologías aplicables a esos procesos de separación se encuentran en distintas etapas de desarrollo, señalan los autores. Estos procesos alternativos están poco desarrollados, y hacerlos viables para su uso a gran escala podría requerir una importante inversión en investigación y desarrollo.

Grandes recompensas potenciales

"Queríamos poner de relieve cómo la mayor parte de la energía del mundo se utiliza para las separaciones químicas y apuntar algunas áreas en las que podrían realizarse grandes avances", dice David Sholl, uno de los autores del artículo, en la información de GA. "Estos procesos son en gran medida invisibles para la mayoría de la gente, pero hay grandes recompensas potenciales en su mejora".

En los Estados Unidos, podrían reducirse los costes de energía en 4 mil millones de dólares al año sólo en los sectores del petróleo, químico y de fabricación de papel. También hay potencial para reducir las emisiones de dióxido de carbono en 100 millones de toneladas por año.

"Las separaciones químicas representan aproximadamente la mitad de todo el consumo energético industrial de EE.UU.", señala el profesor Ryan Lively. "El desarrollo de alternativas que no utilizan el calor podría mejorar drásticamente la eficiencia del 80 por ciento de los procesos de separación que ahora utilizamos."

 Sholl y Lively sugieren cuatro pasos que podrían dar los investigadores académicos y los políticos para ayudar a expandir el uso de técnicas de separación no térmicas:

-En la investigación, considerar mezclas químicas realistas que reflejen las condiciones del mundo real.
-Evaluar la economía y la sostenibilidad de cualquier técnica de separación.
-Tener en cuenta la escala a la que tendrá que desplegarse la tecnología para la industria. -Entrenar aún más a los químicos y a los ingenieros químicos en técnicas de separación que no requieren destilación.

La lista

-Hidrocarburos del petróleo crudo. Las refinerías utilizan principalmente la destilación atmosférica (a la presión de la atmósfera), que implica calentar el petróleo y luego capturar los diferentes compuestos a medida que se evaporan en diferentes puntos de ebullición. Encontrar alternativas es difícil porque el petróleo es complejo químicamente y debe ser mantenido a altas temperaturas para mantener su fluidez, dada su consistencia.

-Uranio del agua de mar. Existen más de cuatro millones de toneladas de uranio en el agua del océano, pero separarlo es complicado por la presencia de metales tales como vanadio y cobalto, imposibles de separar del uranio con las tecnologías existentes. Sí hay procesos que lo consiguen a escalas pequeñas, pero no a escalas grandes.

-Alquenos a partir de alcanos. La producción de algunos tipos de plástico requieren alquenos: hidrocarburos como etano y propeno, cuya producción anual es superior a 200 millones de toneladas. La separación de eteno a partir de etano, por ejemplo, requiere normalmente destilación criogénica de alta presión a temperaturas bajas. Las técnicas de separación híbridas que utilizan una combinación de membranas y de destilación podrían reducir el consumo de energía en un factor de dos o tres, pero podrían ser necesarios grandes volúmenes de materiales de membrana -hasta un millón de metros cuadrados en una sola planta química- para escalarlas.

-Gases de efecto invernadero de las emisiones diluidas. La emisión de dióxido de carbono e hidrocarburos como el metano contribuye al cambio climático global. La eliminación de estos compuestos a partir de fuentes diluidas, tales como las emisiones de plantas de energía, se puede hacer usando materiales líquidos de amina, pero la eliminación del dióxido de carbono a partir de ese material requiere calor. Se necesitan métodos menos costosos.

-Metales de tierras raras a partir de minerales. Los elementos tierras raras se utilizan en los imanes, catalizadores y la iluminación de alta eficiencia. Aunque estos materiales en realidad no son raros, su obtención es difícil porque existen en cantidades muy pequeñas que deben separarse de los minerales mediante procesos mecánicos y químicos complejos.

-Derivados de benceno entre sí. El benceno y sus derivados son esenciales para la producción de muchos polímeros, plásticos, fibras, disolventes y aditivos de combustible. Estas moléculas se separan usando columnas de destilación con un consumo de energía anual combinado de alrededor de 50 gigavatios. Desarrollar las membranas o absorbentes podría reducir significativamente esa inversión en energía.

-Rastrear los contaminantes del agua. La desalinización es ya crucial para satisfacer la necesidad de agua dulce en algunas partes del mundo, pero el proceso es intensivo a la vez en capital y energía, independientemente de si se utilizan procesos de membrana o de destilación. El desarrollo de membranas que son más productivas y resistentes a la suciedad podría reducir los costes.