Los procesos de separación química industrial con base térmica, como la destilación, ahora representan del 10 al 15 por ciento del uso anual de energía del mundo. Por lo tanto, apagar la sed mundial de energía podría recibir un impulso sustancial de las tecnologías mejoradas para producir combustibles, plásticos, alimentos y otrosproductos con entradas reducidas de energía.
En un artículo de comentario publicado el 26 de abril en la revista Naturaleza dos investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia sugieren que siete procesos de separación intensivos en energía creen que deberían ser los objetivos principales para la investigación en tecnologías de purificación de baja energía. Más allá de reducir el uso de energía, las técnicas mejoradas para separar los químicos de las mezclas también reducirían la contaminación, reduzca las emisiones de dióxido de carbono y abra nuevas formas de obtener recursos críticos que el mundo necesita.
Las tecnologías aplicables a esos procesos de separación se encuentran en diferentes etapas de desarrollo, señalan los autores. Estos procesos alternativos ahora están subdesarrollados o son costosos de ampliar, y hacerlos factibles para su uso a gran escala podría requerir una inversión significativa en investigación y desarrollo.desarrollo.
"Queríamos resaltar la cantidad de energía del mundo que se usa para separaciones químicas y señalar algunas áreas en las que se podrían lograr grandes avances expandiendo la investigación en estas áreas", dijo David Sholl, uno de los autores del artículo y presidente deEscuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech. "Estos procesos son en gran medida invisibles para la mayoría de las personas, pero existen grandes recompensas potenciales, tanto para la energía como para el medio ambiente, por desarrollar procesos de separación mejorados en estas áreas".
En los Estados Unidos, la sustitución de enfoques no térmicos por productos químicos purificadores podría reducir los costos de energía en $ 4 mil millones por año solo en los sectores de fabricación de petróleo, productos químicos y papel. También existe la posibilidad de reducir las emisiones de dióxido de carbono en 100 millones de toneladas por año.
"Las separaciones químicas representan aproximadamente la mitad de todo el uso de energía industrial en los EE. UU.", Señaló Ryan Lively, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech y el segundo autor del artículo. "El desarrollo de alternativas que no usan calor podría dramáticamentemejorar la eficiencia del 80 por ciento de los procesos de separación que ahora usamos "
Apodada las "siete separaciones químicas para cambiar el mundo", la lista no pretende ser exhaustiva, pero incluye :
- Hidrocarburos del petróleo crudo. Los hidrocarburos del petróleo crudo son los ingredientes principales para la fabricación de combustibles, plásticos y polímeros: claves para la economía de consumo mundial. Cada día, según el artículo, las refinerías de todo el mundo procesan alrededor de 90 millones de barriles de petróleo crudo, principalmente utilizando procesos de destilación atmosférica que consumen aproximadamente 230 gigavatios de energía por año, el equivalente al consumo total de energía del Reino Unido en 2014. La destilación implica calentar el aceite y luego capturar diferentes compuestos a medida que se evaporan en diferentes puntos de ebullición. Encontrar alternativas esdifícil porque el petróleo es químicamente complejo y debe mantenerse a altas temperaturas para que el crudo espeso fluya.
- Uranio del agua de mar. La energía nuclear podría proporcionar electricidad adicional sin aumentar las emisiones de carbono, pero las reservas mundiales de combustible de uranio son limitadas. Sin embargo, existen más de cuatro mil millones de toneladas del elemento en el agua del océano. Separar el uranio del agua del océano es complicado porla presencia de metales como el vanadio y el cobalto que se capturan junto con el uranio en las tecnologías existentes Los procesos para obtener uranio del agua de mar se han demostrado a pequeña escala, pero tendrían que ampliarse antes de que puedan hacer una contribución sustancial a laexpansión de la energía nuclear.
- Alquenos a partir de alcanos. La producción de ciertos plásticos requiere alquenos - hidrocarburos como el etano y el propeno, cuya producción anual total supera los 200 millones de toneladas. La separación del eteno del etano, por ejemplo, generalmente requiere destilación criogénica de alta presión a bajas temperaturasLas técnicas de separación híbrida que usan una combinación de membranas y destilación podrían reducir el uso de energía en un factor de dos o tres, pero podrían requerirse grandes volúmenes de materiales de membrana, hasta un millón de metros cuadrados en una sola planta química.-arriba.
- Gases de efecto invernadero de las emisiones diluidas. La emisión de dióxido de carbono e hidrocarburos como el metano contribuyen al cambio climático global. La eliminación de estos compuestos de fuentes diluidas como las emisiones de las centrales eléctricas se puede hacer utilizando materiales de amina líquida, pero eliminando el dióxido de carbono de ese materialrequiere calor. Se necesitan métodos menos costosos para eliminar el dióxido de carbono.
- Metales de tierras raras de minerales. Los elementos de tierras raras se usan en imanes, catalizadores e iluminación de alta eficiencia. Aunque estos materiales no son realmente raros, obtenerlos es difícil porque existen en cantidades traza que deben separarse de los minerales utilizando mecanismos mecánicos complejosy procesos químicos.
- Derivados de benceno entre sí. El benceno y sus derivados son esenciales para la producción de muchos polímeros, plásticos, fibras, solventes y aditivos de combustible. Estas moléculas ahora se separan usando columnas de destilación con un consumo combinado anual de energía de aproximadamente 50 gigavatios. Avances en membranaso sorbentes podrían reducir significativamente esta inversión de energía.
- Rastree contaminantes del agua. La desalinización ya es crítica para satisfacer la necesidad de agua dulce en algunas partes del mundo, pero el proceso requiere energía y capital, independientemente de si se utilizan procesos de membrana o destilación. Desarrollo de membranas que sontanto más productivos como resistentes a las incrustaciones podrían reducir los costos.
Sholl y Lively concluyen el documento sugiriendo cuatro pasos que podrían ser tomados por investigadores académicos y formuladores de políticas para ayudar a expandir el uso de técnicas de separación no térmica :
- En la investigación, considere mezclas químicas realistas y refleje las condiciones del mundo real
- Evaluar la economía y la sostenibilidad de cualquier técnica de separación
- Considere la escala a la cual la tecnología tendría que implementarse para la industria, y
- Exponga aún más a los ingenieros químicos y químicos en capacitación a técnicas de separación que no requieren destilación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por John Toon. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.