Fibra de carbono porosa ultrapermeable: adsorción y conductividad excepcionales

La nueva fibra de carbono porosa de Toray (esquina superior izquierda, mostrando eje central hueco) presenta una estructura de poros controlable a nano o microescala a lo largo de toda la fibra (esquina superior derecha). Esa estructura porosa ayuda a que el material sea un medio de filtración efectivo que puede ser útil como estructura de soporte de membranas de separación de gases. Dado que el carbono también tiene conocidas propiedades de adsorción (para filtración química y física), y es un conductor térmico y eléctrico efectivo, la fibra de carbono porosa también puede encontrar uso en sistemas avanzados de baterías y soportes de catalizadores usados en procesamiento químico. Fuente | Toray Industries Inc.

A mediados de noviembre de 2019, Toray Industries Inc. (Tokio, Japón) anunció que había desarrollado la primera fibra de carbono porosa del mundo con una estructura de poros continua a nano y/o microescala, que espera comercializar en los próximos cinco años. Específicamente, una aplicación potencial del producto es su uso en tecnología de separación de gases, empleada por una variedad de industrias para separar dióxido de carbono (CO₂), biogás, hidrógeno y otros gases.

Toray informa que los enfoques convencionales para la separación de gases ocurren en grandes instalaciones que, ellas mismas, usan mucha energía y producen emisiones significativas de CO₂. Un enfoque más nuevo y ambientalmente sostenible para la separación de gases emplea membranas nanoporosas para filtración de gases que usan significativamente menos energía. Sin embargo, a pesar de mostrar promesa, Toray dice que hasta la fecha este método ha carecido de la eficiencia y durabilidad necesarias para uso a gran escala y largo plazo.

Según la compañía, el nuevo producto de fibra de carbono porosa de Toray podría ayudar a resolver este problema —con potencial para uso en producción de hidrógeno para celdas de combustible— mejorando el rendimiento de las membranas de separación de gases actuales, haciéndolas más delgadas, ligeras, compactas y capaces de soportar mejor calor, presión y químicos.

Medios de filtración porosos

Los medios de filtración nano y microporosos no son nuevos. Un puñado de polímeros —la mayoría termoplásticos— se usan para producir tanto membranas planas nanoporosas como fibras nanoporosas. Aplicaciones típicas incluyen filtros de agua de alto rendimiento (para agua industrial y potable); filtración de bebidas y alimentos (para mejorar color, olor o sabor); filtros médicos (para separación de sangre (aferesis) y filtración de sangre (diálisis)); así como separación industrial de gases (para una amplia gama de industrias y procesos, incluyendo químicos y petroquímicos, energía, minería, siderurgia, médica, producción de fertilizantes, protección ambiental, electrónica y aeroespacial).

Los polímeros más comunes usados para aplicaciones de filtración de alto rendimiento incluyen polietersulfona (PES), polisulfona (PSU), fluoruro de polivinilideno (PVDF), politetrafluoroetileno (PTFE) y acetato de celulosa (CA). Para las condiciones de filtración más exigentes —como temperaturas altas o bajas, químicos agresivos, o aplicaciones con altos niveles de sólidos— también se usan cerámicas (como óxido de aluminio) y metales (como dióxido de titanio y acero inoxidable).

Dependiendo de las necesidades de la aplicación, los medios de filtración pueden producirse en varios niveles de porosidad distintos con tamaños de poro del orden de 0,1 micrómetro para microfiltración, 0,01 micrómetro para ultrafiltración, 0,001 micrómetro para nanofiltración y 0,0001 micrómetro para ósmosis inversa.

Para medios de filtración de alto rendimiento, los requisitos técnicos críticos incluyen: buena y amplia resistencia química, no solo a los materiales que se separan sino también a hipoclorito de sodio, un agente desinfectante común usado para limpiar membranas; buena resistencia mecánica, ya que muchos filtros aplican altas presiones para forzar la separación de sólidos, líquidos y gases; permeabilidad, para proporcionar la función de filtración; y bajo ensuciamiento, para que las membranas puedan mantenerse limpias para una operación eficiente, funcional y a largo plazo.

Fibra de carbono porosa

Que la fibra de carbono pueda usarse como medio de filtración nanoporoso es atractivo de varias maneras. Primero, el carbono activado —una forma de carbono con un pequeño volumen de diminutos orificios usados para aumentar el área de superficie disponible para adsorción y/o reacciones químicas— se ha usado largo tiempo como un componente en una gama de sistemas de filtración de menor rendimiento. Con el amplio suministro de orbitales vacíos del carbono atómico, y el área de superficie aumentada del carbono activado, el material puede ser un medio efectivo para atrapar y unir (adsorber) una variedad de sustancias activas. Desafortunadamente, dado que el carbono activado es esencialmente sólido, su función de permeación está mayormente confinada a la superficie del sustrato, y su función de filtración es principalmente física (no química), lo que limita los tipos y tamaños de sustancias que pueden separarse efectivamente.

En el caso de la fibra de carbono porosa de Toray —o polvos producidos al moler dicha fibra— los poros son continuos a lo largo de la estructura, lo que significa que los productos hechos del material deberían poder filtrar tanto física como químicamente. Aprovechando las propiedades de adsorción del carbono atómico, la fibra de carbono nanoporosa puede resultar útil para materiales de electrodos y soportes de catalizadores en baterías de alto rendimiento. Además, el carbono en todas sus formas sólidas es tanto un buen conductor térmico como eléctrico —características que podrían resultar útiles en ciertas aplicaciones.

Toray informa que tanto el tamaño de poro (niveles micro a nano) como la forma transversal del poro son controlables en su producto independientemente de si crean una fibra porosa "sólida" o una fibra porosa hueca (con un eje central a lo largo de la longitud de la fibra). Hasta ahora, Toray ha sido capaz de crear poros "grandes" así como "pequeños" (aunque no se proporcionaron especificaciones sobre tamaños de poro reales). Dado que la fibra de carbono ya ha sido carbonizada y grafitizada, es químicamente estable y muy rígida y resistente —propiedades que también pueden aprovecharse en la producción de membranas de separación de gases más fuertes y compactas.

Según se informa, la empresa recurrió a tres áreas internas de experiencia para desarrollar el nuevo producto: polímeros, fibra de carbono, y tecnologías de membrana de separación/filtración de agua.

El 11 de diciembre de 2019, Toray celebró una ceremonia de corte de cinta para inaugurar su nuevo Centro de Innovación I+D para el Futuro. La instalación de dos edificios, en las instalaciones de la Planta Shiga de la compañía en Otsu, Japón, donde la compañía comenzó operaciones en 1926, servirá como sede global para una serie de iniciativas estratégicas, incluyendo fibra de carbono porosa, al involucrar instituciones académicas y socios industriales de diversos campos. Toray informa que la compañía ya está colaborando con varios socios para aprovechar mejor la experiencia de cada organización para impulsar la comercialización de membranas avanzadas de separación de gases que apoyen métodos económicos y ecológicos para purificación de gas natural y biogás y producción de hidrógeno para celdas de combustible que alimentan vehículos eléctricos y edificios. Ese equipo dice que ha desarrollado un concepto para un nuevo tipo de membrana de separación de gases que será más resistente al calor, químicos y presiones. Combinando la fibra de carbono porosa de Toray como capa de soporte y tecnología de socios para las capas de separación de gases, el sistema propuesto de cuatro capas debería ser capaz de separar y purificar gas natural (capa A), biogás (capa B), hidrógeno (capa C) y propileno (capa D).

La compañía también informa que continúa la investigación en este nuevo material para fomentar el reciclaje de carbono, aprovechar la producción de energía de hidrógeno y reducir la huella ambiental de la industria. Es un brazo de la Visión de Sostenibilidad del Grupo Toray para ayudar a materializar economías bajas en carbono para 2050 a través de contribuciones a problemas ambientales, gestión de recursos y energía.