Combinando as propriedades de adsorção dos sólidos com as capacidades de dissolução dos líquidos, os pesquisadores criaram um materials versátil e eficiente para melhorar a separação do oxigênio nos gases. Além de aumentarem o fornecimento de oxigénio acessível, estão a desenvolver o seu materials para separar uma variedade de gases, aumentando a sua utilização na indústria e controlando potencialmente os gases com efeito de estufa.
A separação eficiente de gases é important em vários setores, desde aplicações médicas até produção de energia. No entanto, isolar o oxigênio de misturas apresenta um desafio tecnológico significativo. Como muitos gases, incluindo argônio e oxigênio, compartilham propriedades físicas semelhantes, é difícil separá-los. Agora, Ryotaro Matsuda e sua equipe da Universidade de Nagoya desenvolveram uma estrutura metal-orgânica porosa (MOF) única, que representa uma nova abordagem para a separação de gases: um fenômeno combinado de “adsorção” e “dissolução” que eles chamam de “adsorção- mecanismo de dissolução”. Suas descobertas foram publicadas em Comunicações da Natureza.
As técnicas de separação de gases tradicionalmente dependiam de duas propriedades: a capacidade dos materiais de adsorver gases em poros nanométricos (adsorção) ou dissolver gases em líquidos (dissolução). No entanto, cada método tem limitações. A adsorção eficaz de gases por sólidos porosos como zeólito e carvão ativado é dificultada pela sua incapacidade de separar seletivamente certos gases, como oxigênio e argônio, o que limita seus usos potenciais. Certos líquidos, por outro lado, podem dissolver gases de forma eficaz, mas são difíceis de manusear em aplicações industriais devido à sua natureza líquida.
MOFs sólidos porosos são frequentemente combinados com compostos para criar materiais altamente adsorventes. Matsuda e seus colaboradores usaram essa propriedade para combinar um materials MOF com perfluorocarbonos, líquidos que têm alta afinidade pelo oxigênio, criando uma estrutura que adsorve moléculas de oxigênio dentro de seus poros. Os perfluorocarbonos auxiliam na dissolução, o que cria uma poderosa força de dissolução adsortiva quando combinado com um MOF, tornando a separação de gases muito mais eficiente e seletiva.
“Os processos de adsorção e dissolução foram reconhecidos como fenômenos fundamentalmente distintos devido à natureza diferente dos meios utilizados, neste caso, sólidos e líquidos”, disse Matsuda. “Nosso materials tem poros densamente preenchidos por cadeias de perfluoroalquil, o que cria uma combinação de comportamentos que chamamos de comportamento de ‘dissolução adsortiva’.”
O grupo usou com sucesso seu materials para separar argônio e oxigênio, dois elementos normalmente difíceis de separar. Eles produziram oxigênio puro, um elemento com muitas aplicações industriais. “Em indústrias como a siderúrgica, o oxigênio é necessário em alta pureza para combustão e reações químicas, enquanto em ambientes médicos, o oxigênio concentrado é important para o tratamento, especialmente para pacientes com problemas respiratórios”, disse Matsuda.
O grupo espera que a sua tecnologia seja utilizada em indústrias que exigem um método energeticamente eficiente para concentrar o oxigénio do ar. Como estes processos consomem atualmente muita energia, as suas conclusões poderão reduzir tanto os custos operacionais como o impacto ambiental. Em ambientes médicos, em specific, o enriquecimento de oxigénio pode melhorar o atendimento ao paciente e reduzir a utilização de tanques de oxigénio dispendiosos e volumosos.
As aplicações potenciais deste novo materials vão além da separação de oxigênio. “O fenômeno da” dissolução adsortiva “poderia ser aplicado a outras tarefas de separação de gases que anteriormente eram consideradas difíceis, como a separação de nitrogênio, dióxido de carbono ou hidrogênio de misturas complexas”, disse Matsuda. “A capacidade de concentrar e separar gases de forma eficiente abre portas para novas tecnologias na gestão ambiental, como a captura e reciclagem de gases de efeito estufa nocivos, como o CO2, ou o aprimoramento da tecnologia de células de combustível através da separação eficiente do hidrogênio”.
Além disso, a eficiência energética deste materials MOF está alinhada com as iniciativas globais de sustentabilidade. À medida que o mundo avança em direção a uma sociedade descarbonizada, é essential encontrar formas de reduzir o consumo de energia nos processos industriais. Este novo materials, através das suas capacidades eficientes e selectivas de separação de gases, pode desempenhar um papel elementary no avanço das tecnologias verdes e na redução da pegada de carbono das indústrias que dependem fortemente da separação de gases.
