Sustainable synthesis routes of zeolitic imidazolate frameworks and their modifications for gas separation membranes
En las últimas décadas, el crecimiento industrial ha acentuado la preocupación por la contaminación atmosférica, especialmente por el aumento de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO2). En respuesta a esto, la captura y separación de CO2 se han vuelto vitales. Técnicas de separa...
| Authors: | , |
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| Format: | master thesis |
| Status: | Published version |
| Publication Date: | 2024 |
| Country: | España |
| Institution: | Universidad de Zaragoza |
| Repository: | Zaguán. Repositorio Digital de la Universidad de Zaragoza |
| OAI Identifier: | oai:zaguan.unizar.es:145201 |
| Online Access: | http://zaguan.unizar.es/record/145201 |
| Access Level: | Open access |
| Keyword: | separación química síntesis química control de la contaminación atmosférica ingeniería y tecnología del medio ambiente |
| Summary: | En las últimas décadas, el crecimiento industrial ha acentuado la preocupación por la contaminación atmosférica, especialmente por el aumento de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO2). En respuesta a esto, la captura y separación de CO2 se han vuelto vitales. Técnicas de separación de gases, como la destilación o la adsorción, traen consigo un alto consumo energético y un alto coste, por lo que son menos viables. En cambio, la tecnología de membranas se vuelve más relevante, ya que ofrece una alternativa más eficiente, con mayor simplicidad operacional, con diseños de sistemas más compactos, más escalable y económica.<br />En este contexto, los MOF (del inglés, "metal-organic frameworks") han surgido como compuestos prometedores como material de relleno ("filler") en membranas y como adsorbentes, dada su elevada porosidad, estabilidad y versatilidad química. Sin embargo, su síntesis a menudo implica el uso de disolventes contaminantes y perjudiciales para la salud y para el medio ambiente. Por lo tanto, es necesario desarrollar métodos de síntesis de MOF más sostenibles. Numerosos estudios han comenzado a implementar el uso de disolventes menos contaminantes (agua, etanol, etc.) y métodos de síntesis en los que se reduzca la cantidad de disolvente o incluso se elimine completamente. <br />Además, al incorporar estos MOF en membranas para formar las llamadas "membranas de matriz mixta" (MMM), surge el desafío de la aglomeración del relleno y su incompatibilidad con la matriz polimérica, lo que puede crear defectos que afecten negativamente al rendimiento de la membrana. Para mejorar esta compatibilidad, se ha demostrado que funcionalizar los MOF o fabricar materiales híbridos en los que la química sea similar a la del polímero, es ventajoso para establecer una mejor dispersión del MOF a lo largo de la membrana y con ello obtener un mayor rendimiento de separación. Una mejora en la compatibilidad también ha evidenciado ser beneficiosa en los retos que plantean algunos polímeros como el envejecimiento o la plastificación, fenómenos que provocan que estos polímeros vayan empeorando su efectividad y que constituyen una barrera para su industrialización. <br />Por otro lado, hay mezclas gaseosas cuya separación es muy complicada debido a la similitud en las propiedades de los compuestos a separar, como por ejemplo la separación de etileno/etano. Su separación con membranas se presenta como una alternativa más sostenible a la destilación criogénica convencional usada para su separación en industria. <br />El objetivo de esta investigación es abordar estas cuestiones cruciales. En primer lugar, se llevará a cabo la síntesis de varios MOF utilizando métodos más respetuosos con el medio ambiente. En concreto nos centraremos en la síntesis a alta presión y temperatura, reduciendo así el uso de disolventes y los tiempos de reacción. Se estudiarán numerosas condiciones de síntesis con el fin de mejorar el rendimiento de este método en la síntesis de ZIF-8, ZIF-L y ZIF-93. <br />Posteriormente, se investigará la modificación de varios MOF para mejorar su compatibilidad con los polímeros que conforman las membranas. Esto se llevará a cabo mediante la sustitución parcial de los ligandos del ZIF-8 y ZIF-94 con un ligando (2-undecilimidazolato) que posee una cadena alifática que aportará hidrofobicidad a estos MOF. Esto mejorará su compatibilidad con el polímero PIM-1 lo que incrementará el rendimiento de las MMM en la separación de gases.<br />Por último, se investigará la aplicación de membranas de ZIF-8 puro (capas policristalinas continuas) sobre soporte de alfa-alúmina para estudiar la separación de etileno/etano en diferentes condiciones de separación de gases, ampliando así el conocimiento sobre las aplicaciones prácticas de estas membranas en la industria.<br /> |
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