Análisis técnico y ambiental de membranas

Abstract

Los procesos de separación son uno de los pilares de las tecnologías de captura y conversión de CO2 en productos de valor añadido. El desarrollo de tecnologías sostenibles de separación de CO2 es crucial para lograr la transición neta cero. Además, el modelo de economía circular propone un Sistema donde materias primas y residuos se reutilicen y revaloricen continua-mente, además de reducir simultáneamente las emisiones de gases de efecto invernadero. En este sentido, la separación de CO2 mediante tecnología de membranas ha sido aceptada como una alternativa ambientalmente sostenible. Además, es crucial realizar un Análisis de Ciclo de Vida (ACV) para evaluar los impactos de tecnologías emergentes en las primeras fases de su desarrollo. Sin embargo, los biopolímeros en la fabricación de membranas se enfrentan a retos como menor Resistencia mecánica y capacidades de separación que las membranas comerciales equivalentes. Este estudio estudia la viabilidad ambiental de utilizar membranas mixtas (MMMs) compuestas de nanopartículas organometálicas “verdes” (MOFs) y biopolímeros en la separación de CO2. La síntesis de estas MMMs puede dar lugar a impactos ambientales adicionales, haciendo esencial un ACV para identificar los puntos clave ambientales y guiar la selección de materiales y procedimientos. El objetivo de este trabajo es evaluar si estas membranas son más sostenibles ambientalmente y eficaces que las alternativas existentes para lograr los objetivos de descarbonización y des fosilización. Se lleva a cabo un estudio técnico y ambiental de MMMs con cargas variables de nanopartículas de MOF (UiO-66 and UiO-66-NH2) en una matriz equivolumétrica de quitosano y almidón. Los Resultados muestran que al aumentar el contenido de MOF aumentan la permeabilidad de CO2 y la selectividad de CO2/CH4 y CO2/N2 si se controla la integridad mecánica. De hecho, la membrana compuesta de 16wt% UiO-66-NH2/CS:ST tiene la misma selectividad que la membrana comercial de PDMS utilizada como referencia, y 100 veces su permeabilidad de CO2 permeability. El ACV revela que las membranas con mayor carga aumentan los impactos de calentamiento global (GWP), agotamiento de fósiles (FD) y agotamiento de recurso materiales (MD). Las membranas de biopolímeros sin relleno dieron menor GWP que las que contenían un 16% UiO-66-NH2. Sin embargo, ambas membranas biopoliméricas exhibieron menores impactos ambientales que la membrana comercial de PDMS. En conclusión, las membranas compuestas de biopolímeros, particularmente las que contienen una carga adecuada de UiO-66-NH2, revelan un potencial prometedor para la separación de CO2 con menores impactos ambientales que la membrana de PDMS. Lograr el funcionamiento óptimo requiere equilibrar la carga de nanopartículas para mantener la integridad mecánica y la sostenibilidad ambiental. Esta investigación subraya la importancia de desarrollar materiales de membrana respetuosos con el medio ambiente en el marco de la economía circular.

Sustainable separation processes are one of the pillars of CO2 capture and conversion technologies that produce added-value products. The development of sustainable CO2 separation technologies is crucial to achieve the net-zero transition. Also, the circular economy model proposes a system where materials and waste are continuously reused and revalued, simultaneously reducing GHG. In this sense, membrane technology for CO2 separation has been accepted as a sustainable and environmentally friendly alternative. Furthermore, it is crucial to do a Life Cy- cle Assessment (LCA) to evaluate the environmental impacts of emerging technologies as membrane technology, in the early stages of development. However, biopolymers in membrane prep- aration face challenges as to lower mechanical resistance and separation performance than their oil-based commercial counterparts. This study focuses on the environmental viability of using mixed matrix membranes (MMMs) composed of green metal-organic framework (MOF) nanoparticles and biopolymers for CO2 separation. The synthesis of these MMMscan also have unforeseen environmental impacts, making LCA essential in identifying environmental hotspots and guiding sustainable material and process selection. The goal is to assess whether these membranes are more environmentally friendly and effective than current alternatives in achieving decarbonization and defossilization goals. The study conducted a technical and environ- mental analysis of biopolymer-based MMMs with varying percentages of green MOF fillers (UiO-66 and UiO-66-NH2) in an equivolumetric blend of chitosan (CS) and starch (ST). Results showed that increasing the filler content improved CO2 permeability and the selectivity for CO2/CH4 and CO2/N2 if mechanical integrity issues are controlled, the 16wt% UiO-66- NH2/CS:ST composite membrane having the same selectivity as the the PDMS commercial membrane used as reference, and 100-fold its CO2 permeability. The LCA revealed that membranes with higher filler loadings had increased global warming potential (GWP), fossil depletion (FD), and material depletion (MD) impacts. Pristine biopolymer membranes had lower GWP than those with 16 wt.% filler. Nonetheless, biopolymer-based membranes generally ex- hibited lower environmental impacts than commercial PDMS membranes. In conclusion, biopolymer based MMMs, particularly those enhanced with UiO-66-NH2, show promising po- tential for CO2 separation with lower environmental impacts compared to PDMS membranes. Achieving optimal performance requires balancing filler content to maintain mechanical integ- rity and environmental sustainability. This research underscores the importance of developing environmentally friendly membrane materials within the context of a circular economy.