Fibra de carbono porosa:Permeable, adsorbente y conductora

La nueva fibra de carbono porosa de Toray (arriba a la izquierda, que muestra un eje central hueco) presenta una estructura de poros controlable a nanoescala o microescala en toda la fibra (arriba a la derecha). Esa estructura porosa ayuda a hacer del material un medio de filtración eficaz que puede ser útil como estructura de soporte de membranas de separación de gases. Debido a que el carbono también tiene propiedades de adsorción bien conocidas (para filtración química y física) y es un conductor térmico y eléctrico eficaz, la fibra de carbono porosa también puede encontrar uso en sistemas de baterías avanzados y portadores de catalizadores utilizados en el 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, 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 el dióxido de carbono (CO ₂ ), biogás, hidrógeno y otros gases.

Toray informa que los enfoques convencionales para la separación de gases se producen en grandes instalaciones que, en sí mismas, consumen mucha energía y producen una cantidad significativa de CO ₂ emisiones. Un enfoque más nuevo y ambientalmente sostenible para la separación de gases emplea membranas nanoporosas para la filtración de gases que usan significativamente menos energía. Sin embargo, a pesar de ser prometedor, Toray dice que hasta la fecha este método ha carecido de la eficiencia y durabilidad necesarias para un uso a largo plazo a gran escala.

Según la compañía, el nuevo producto de fibra de carbono poroso de Toray podría ayudar a resolver este problema, con potencial para su uso en la producción de hidrógeno para celdas de combustible, mejorando el rendimiento de las membranas de separación de gases actuales, haciendo que las membranas sean más delgadas, más livianas, más compactas y más capaces. para resistir el calor, la presión y los productos químicos.

Medios de filtración porosos

Los medios de filtración nano y microporosos no son nuevos. Un puñado de polímeros, la mayoría de ellos termoplásticos, se utilizan para producir membranas planas nanoporosas y fibras nanoporosas. Las aplicaciones típicas incluyen filtros de agua de alto rendimiento (para agua industrial y potable); filtración de bebidas y alimentos (para mejorar el color, el olor o el sabor); filtros médicos (para separación de sangre (aféresis) y filtración de sangre (diálisis)); así como la separación de gases industriales (para una amplia gama de industrias y procesos, que incluyen productos químicos y petroquímicos, energía, minería, siderurgia, medicina, producción de fertilizantes, protección ambiental, electrónica y aeroespacial).

Los polímeros más comunes utilizados 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, productos químicos agresivos o aplicaciones con altos niveles de sólidos, también se utilizan 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 se pueden producir en varios niveles de porosidad distintos con tamaños de poros del orden de 0,1 micrómetros para microfiltración, 0,01 micrómetros para ultrafiltración, 0,001 micrómetros para nanofiltración y 0,0001 micrómetros para ósmosis inversa.

Para los 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 al hipoclorito de sodio, un agente desinfectante común utilizado 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 poco ensuciamiento, por lo que las membranas se pueden mantener limpias para una operación eficiente, funcional y a largo plazo.

Fibra de carbono porosa

El hecho de que la fibra de carbono se pueda utilizar como medio de filtración nanoporoso es atractivo de varias formas. Primero, el carbón activado, una forma de carbón con un pequeño volumen de pequeños orificios que se usa para aumentar el área de superficie disponible para la adsorción y / o reacciones químicas, se ha utilizado durante mucho tiempo como un componente en una variedad de sistemas de filtración de menor rendimiento. Con el amplio suministro de orbitales vacíos del carbono atómico y el aumento de la superficie del carbono activado, el material puede ser un medio eficaz para atrapar y unir (adsorber) una variedad de sustancias activas. Desafortunadamente, dado que el carbón activado es esencialmente sólido, su función de permeación se limita principalmente 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 se pueden separar de manera efectiva.

En el caso de la fibra de carbono porosa de Toray, o los polvos producidos al moler dicha fibra, los poros son continuos en toda la estructura, lo que significa que los productos fabricados con el material deben poder filtrarse tanto física como químicamente. Al aprovechar las propiedades de adsorción del carbono atómico, la fibra de carbono nanoporosa puede resultar útil para materiales de electrodos y portadores de catalizadores en baterías de alto rendimiento. Es más, el carbono en todas sus formas sólidas es tanto un buen conductor térmico como un buen conductor eléctrico, características que podrían resultar útiles en ciertas aplicaciones.

Toray informa que tanto el tamaño de los poros (micro a nano niveles) como la forma de los poros de la sección transversal 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 tanto "grandes" como "pequeños" (aunque no se proporcionaron detalles sobre el tamaño real de los poros). Dado que la fibra de carbono ya ha sido carbonizada y grafitizada, es químicamente estable y muy rígida y fuerte, propiedades que también pueden aprovecharse en la producción de membranas de separación de gases más resistentes y compactas.

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

El 11 de diciembre de 2019, Toray celebró una ceremonia de corte de cinta para abrir su nuevo Centro de Innovación de 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 a operar en 1926, servirá como sede global para una serie de iniciativas estratégicas, incluida la fibra de carbono porosa, al involucrar a las instituciones académicas y a la industria. socios 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 de separación de gas avanzadas para respaldar métodos económicos y ecológicos para la purificación de gas natural y biogás y la 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, los productos químicos y las presiones. Combinando la fibra de carbono porosa de Toray como capa de soporte y tecnología asociada para las capas de separación de gas, el sistema de cuatro capas propuesto 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 investigando 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 una de las ramas de la Visión de Sostenibilidad del Grupo Toray para ayudar a materializar economías bajas en carbono para 2050 a través de contribuciones a cuestiones ambientales, de gestión de recursos y de energía.