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Almacena el gas metano en vehículos, en vez del pesado cilindro de acero para CH4 a presión

MOF, el polímero espumoso con nanoporos

Pascual Bolufer22/12/2014

Los MOF han sido presentados recientemente en Georgia World Congress, en Atlanta, Georgia, dedicado al American Natural Gas Vehicles (NGV). MOF es una abreviatura de Metal Organic Framework, un polímero cristalino con nanoporos, que combina iones metálicos inorgánicos con polímeros orgánicos, para formar una estructura tridimensional, con enlaces covalentes, la esponja.

Hay tres clases de materiales cristalinos con nanoporos: las zeolitas, los filtros moleculares mesoporosos y los MOF. Su aplicación principal es la flota de camiones, pero también el vehículo familiar ligero. En 2012 había en funcionamiento en el mundo 16.7 millones de vehículos de gas natural. En 2013 se hicieron pruebas con éxito de MOF, con el camión pesado Kenworth, con tanque equivalente al Type IV natural gas, con un catalizador de las emisiones del motor. Comienza la comercialización.

En China en 1980, autobuses con depósito de gas metano a baja presión en el techo del autobús

En China en 1980, autobuses con depósito de gas metano a baja presión en el techo del autobús.

El material poroso

Son de especial interés para aplicaciones de adsorción de gas, catálisis, detección y separación de compuestos, etc, debido a su elevada áreas superficial, tamaño del poro, cuanto menor tanto mejor. El área superficial puede alcanzar valores de hasta varios miles de m2 por gramo. Estos materiales porosos consisten habitualmente en matrices de carbono, o compuestos inorgánicos, tales como sílice, zeolitas, óxidos metálicos y orgánicos (polímeros, MOF, geles de carbono, etc.)

La incorporación de materiales adicionales, como nanopartículas inorgánicas, magnéticas, da nuevas propiedades de separación, actividad catalítica, propiedades electroquímicas, capacidad de almacenamiento de gases ampliada y creación de funcionalidades superficiales específicas. La formación de nanocompuestos constituidos por la matriz porosa y nanopartículas inorgánicas da nuevas propiedades al sistema. Por ejemplo: la eliminación de contaminantes dispersos en fase líquida o gaseosa, y por supuesto, mejoras en almacenamiento de gases. El material poroso tradicional, o Porex, está formado por cavidades en materiales termoplásticos, granulado, pero con poros sin dimensiones nano. Se trata de polietileno de peso molecular ultraeelvado, polietileno de alta densidad (HDPE), polipropileno, politetrafluoretileno, y fluoruro de polivinilideno, tierra de diatomeas.

Los nanoporos

Son hoyos de tamaño nanométrico, entre 1 y 200 nm, que pueden ser creados con proteínas, en forma de embudo, o como huecos en materiales sintéticos, como en el grafeno, nanoporos de estado sólido. Tienen aplicaciones muy importantes, que nada tienen que ver con envase y embalaje. El material con nanoporos tiene una superficie inmensa en un volumen mínimo, y de ahí nacen sus aplicaciones. Hay diversidad de métodos para la producción de nanoporos. La película delgada, grafeno, o membrana polimérica, es atacada por la radiación, un haz de iones, un haz de electrones, o el tiro directo del haz de iones fresado, deposición química de vapor.

En China en 1980, autobuses con depósito de gas metano a baja presión en el techo del autobús

En China en 1980, autobuses con depósito de gas metano a baja presión en el techo del autobús.

Hay que revelar los puntos de ataque, para ampliar la perforación. Se pueden grabar nanoporos con un coste económico bajo. Muchas veces se usa una capa sacrificial, de 0.5 nm de polipropil metacrilato (Sacrificial Layer Lithography), que se elimina al terminar los nanoporos. Los nanoporos de las zeolitas y de las membranas nucleares de las células biológicas compiten con los nanoporos sintéticos. El ácido desoxirribonucleico (ADN) puede atravesar el nanoporo. Este, con su paso restrictivo, puede seleccionar iones.

Se logran cerámicas nanoestructuradas con óxido anódico de aluminio Al2O3, la alúmina con nanoporos de 5-45 nm. En celdillas exagonales. El diámetro del nanoporo puede variar según el ácido y el potencial de anodización. La capa porosa se forma por las tensiones mecánicas producidas durante el crecimiento de la capa de óxido. El nanoporo se usa como biofiltro. Hasta en el vidrio se pueden crear nanoporos: su fabricación involucra la preparación de un electrodo de platino (30 nm) unido al vidrio. El Pt sellado con el vidrio posee una punta cónica de tal manera que al agregar ácido nítrico, se forma una solución. Esta presenta un comportamiento electrolítico, que produce en el vidrio nanoporos con forma cónica y del mismo tamaño que la punta original.

Una aplicación de grandes consecuencias es una placa monoatómica, grafeno, con nanoporos, de un tamaño tal, que permiten el paso de moléculas de agua, pero no las moléculas de sal. La presión necesaria para el proceso es baja, en vez de la presión 80 bar en la desalación convencional. En farmacia – medicina el tamaño del nanoporo deja pasar la molécula del fármaco, pero no las de mayor tamaño, con lo cual logramos una dosificación muy exacta. Los nanoporos permiten la electroósmosis: aumentan la habilidad de un líquido para moverse dentro del nanoporo, debido a un campo eléctrico.

Un puente entre los materiales inorgánicos y orgánicos

Desde el punto de vista químico los MOF exhiben gran flexibilidad de estructuras y propiedades, porque se benefician de la combinación de unidades estructurales inorgánicas y orgánicas, con posibilidad de modificaciones antes y después de la síntesis. Son el puente entre los materiales puros inorgánicos y orgánicos. Son muy adecuados para aplicaciones de adsorción, separación, administración de medicamentos, aplicaciones biomédicas, catálisis, etc.

Con MOF se puede cargar el depósito de gas metano en casa a presión reducida, con comodidad. No hacen falta los compresores profesionales...

Con MOF se puede cargar el depósito de gas metano en casa a presión reducida, con comodidad. No hacen falta los compresores profesionales.

En 2011 apareció el libro: Metal Organic Frameworks, de David Farrusseng sobre los MOF, que describe la síntesis, estructuras y propiedades de los MOF. En el libro hay una introducción sobre la química de los materiales porosos y de los complejos órgano metálicos. Además el modo de preparar su estructura cristalina y los procedimientos post síntesis. Hay un capítulo dedicado a la adsorción, con aplicaciones potenciales en separación y purificación de gases, captura del CO2 y almacenamiento del hidrógeno.

En el laboratorio los MOF exhiben un buen nivel de adsorción de gas, pero en las aplicaciones industriales intervienen otros factores, los costes, problemas ambientales, estabilidad a largo plazo, reciclado, etc. Para separar los isómeros de xileno los MOF son mejores que las zeolitas, por su gran capacidad de adsorción. No obstante la pobre estabilidad térmica y mecánica, y factores económicos pueden impedir aplicaciones de gran escala. En los últimos años se ha explorado la capacidad catalítica de los MOF para transformar substratos orgánicos. La funcionabilidad catalítica de los MOF es patente en gran variedad de reacciones. Los MOF se usarán no sólo para construir tanques de CH4, sino como catalizadores en la industria química. Con los MOF se encapsularán especies activas catalíticamente y nanopartículas metálicas.

Una superficie enorme

Los fabricantes de MOF nos aseguran que un solo gramo de MOF tiene una superficie que podría cubrir 40 campos de tenis. Esta propiedad muestra la enorme capacidad de almacenamiento de gas, porque las moléculas gaseosas se adhieren a los nanoporos. Esas moléculas adsorbidas quedan inmovilizadas en el material, y ocupan menos espacio, que cuando son libres de moverse alrededor, lo propio de un gas normal. No siempre, pero en muchos casos, a una presión determinada, un tanque lleno de MOF puede almacenar mucho más gas que ese mismo tanque vacio.

A la izquierda los cristales MOF, que desarrolla BASF. A La derecha MOF cristalizados de diferentes tamaños para almacenar gas natural...

A la izquierda los cristales MOF, que desarrolla BASF. A La derecha MOF cristalizados de diferentes tamaños para almacenar gas natural.

El MOF no sólo acepta el gas, sino que también lo cede con facilidad: basta abrir la válvula del tanque. Es una tecnología que se puede aplicar a combustibles verdes, como el gas metano. Tengamos presente que CH4 + 3 oxígenos = una molécula de CO2+ 2 H2O. El gas natural al tener un alto índice de hidrógeno (4) por carbono produce menos CO2 por unidad de energía entregada, en comparación con otros hidrocarburos más pesados, con más átomos de carbono y una menor relación hidrógeno/carbono. El gas natural existente en el mercado tiene una composición que varía según el yacimiento de donde se extrae, y del tratamiento posterior que le da la empresa gasista. El componente principal es CH4 (90%).T de ebullición a 1 atm. -160 °C. Poder calorífico 11.990 kcal/kg. Índice de octano 125.

Los vehículos de combustible gas natural se han hecho muy populares, sobre los propulsados con gasolina por una serie de ventajas: el gas natural cuesta la mitad que la gasolina, por km recorrido, menor contaminación atmosférica, menores costes de mantenimiento y ofrece más seguridad que el combustible líquido. Hasta ahora el gas metano se almacenaba a alta presión, 200 y 250 bar, usando compresores ávidos de energía, lo cual obligaba al uso de depósitos cilíndricos pesados de acero en el vehículo. Con los MOF no hace falta tan altas presiones, y tienen mayor capacidad de almacenamiento de gas. Los tanques MOF pesan mucho menos, y su forma externa se adapta a las necesidades de espacio libre del vehículo. Hay la posibilidad de llenar el tanque MOF en casa, a partir del suministro municipal de gas. Por supuesto, la autonomía del vehículo familiar, o pesado, aumente con el tanque MOF.

Un nuevo depósito de gas, que puede adaptar diferentes formas, según el espacio libre del vehículo

Un nuevo depósito de gas, que puede adaptar diferentes formas, según el espacio libre del vehículo.

Almacenamiento de acetileno

En la industria de plásticos el acetileno es un gas importante, y lo producimos en cantidad. También para producir el oxiacetileno para el corte y procesado de metales. Pero su volatividad dificulta su transporte. Es un explosivo peligroso incluso a dos atmósferas. Sus cilindros de almacenamiento hay que llenarlos de material poroso y además con un solvente líquido, la acetona. Con los MOF todo cambia, a baja presión, a temperatura normal, un tanque con MOF puede almacenar 200 veces más acetileno que un tanque convencional.

Comentarios al artículo/noticia

#3 - Alejandro torres gamboa
09/02/2020 4:59:08
Por favor me podrían decir u orientar donde conseguir información y dónde comprar la membrana MOF
#2 - Luis armando gamboa lizama
13/12/2019 16:11:04
Donde puedo onseguir este material. Así como mas información de usos
#1 - Elena Cano
08/02/2019 13:54:24
¿donde puedo obtener este material?

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