Una membrana inspirada en las hojas podría revolucionar la captura de dióxido de carbono

Un equipo internacional de científicos desarrolló una membrana inspirada en la estrategia natural de las hojas de las plantas para captar dióxido de carbono (CO₂), que emplea agua para separar este gas de mezclas presentes en procesos industriales, con eficiencia y selectividad constantes. Este avance podría transformar los procesos de captura de carbono, purificación de hidrógeno y mejora de biogás en la industria, lo que permitiría que sean más seguros, económicos y respetuosos con el ambiente, según informó Phys.org.

La separación eficiente de CO₂ resulta clave, ya que permite capturarlo antes de que se libere a la atmósfera o purificar otros gases para su uso eficiente.

El estudio, presentado en la revista científica Nature Communications, reveló que la membrana logra mantener una selectividad constante incluso al modificar su permeabilidad. Esto significa que permite filtrar mayores volúmenes de gas sin perder la capacidad de separar CO₂ de otros componentes como nitrógeno (N₂), metano (CH₄) e hidrógeno (H₂), presentes en las mezclas industriales.

Los investigadores comprobaron que, en condiciones de laboratorio, este diseño logra que el CO₂ sea hasta 40 veces más permeable que el N₂ debido a su alta solubilidad en agua. Este atributo resulta fundamental para obtener resultados estables incluso en ambientes industriales de alta presión y humedad.

Membranas basadas en agua superan las limitaciones de los materiales convencionales

Hasta ahora, las tecnologías más comunes para separar CO₂, como la absorción con aminas o la separación criogénica, requerían un gran consumo energético y el uso de sustancias potencialmente peligrosas. Las membranas convencionales, aunque más sostenibles, sufrían una disyuntiva persistente: a mayor selectividad, menor permeancia, lo que complicaba su aplicación en situaciones donde se necesita procesar grandes volúmenes de gas o enfrentar condiciones exigentes. Además, la exposición a presiones altas o humedad podía degradar su desempeño o incluso dañar los materiales.

El nuevo avance retoma el principio fisiológico que emplean las plantas, que absorben dióxido de carbono al disolver este gas en diminutos canales de agua dentro de las hojas. Gracias a la alta solubilidad del CO₂ en agua y la tensión superficial, estos conductos mantienen su estabilidad incluso bajo presiones negativas.

Los autores del estudio diseñaron una membrana que estabiliza el agua entre nanoporos hidrofílicos de menos de 100 nanómetros, es decir, poros miles de veces más pequeños que el grosor de un cabello humano. Así, lograron crear un sistema en el que la selectividad del agua frente al CO₂ se mantiene constante durante el proceso, independientemente de los ajustes en permeancia.

“Fabricando membranas con poros hidrofílicos de menos de 100 nanómetros, demostramos que puede sostenerse una capa de agua estable incluso con presiones superiores a 72 bar”, detalló el equipo de investigación. En esas condiciones extremas, la selectividad se rige por la solubilidad diferencial de los gases: el CO₂ atraviesa la membrana hasta 40 veces más rápido que otros gases, como el N₂, gracias a su afinidad con el agua.

Pruebas de rendimiento y comparación experimental

El rendimiento real de estas membranas fue evaluado mediante el transporte de gases bajo variadas presiones y niveles de humedad, al modificar el espesor de la capa acuosa.

Los resultados mostraron que la permeancia, un indicador clave que mide la facilidad con la que el gas atraviesa la membrana, puede elevarse al reducir el grosor de la capa de agua, sin sacrificar selectividad.

Las membranas con una película acuosa de 190 nanómetros alcanzaron 11.000 unidades de permeación de gas (GPU) y conservaron una selectividad de 40 para CO₂ frente a N₂, 26 frente a CH₄ y 31 frente a H₂. Esto significa que la membrana deja pasar el CO₂ varias decenas de veces más fácilmente que estos otros gases, lo que facilita separar y capturar dióxido de carbono en mezclas industriales. La estructura del filtro se mantuvo estable durante más de una semana en pruebas con ambiente seco y alta presión.

En comparación, los materiales líquidos soportados previos utilizaban capas activas mucho más gruesas, del orden de decenas de micrones, lo que limitaba la permeancia de CO₂ a menos de 1.000 unidades de permeación de gas (GPU). Los valores logrados por el nuevo diseño representan un salto de hasta tres órdenes de magnitud en permeancia sin merma de selectividad, según subrayaron los investigadores.

Desafíos de escalabilidad y aplicaciones industriales

El grupo también puso a prueba la posibilidad de fabricar estas membranas en tamaños comerciales, para lo cual empleó materiales ampliamente disponibles como polivinilideno fluoruro (PVDF) y polisulfona de éter (PES). Sin embargo, al mantener las capas acuosas gruesas (alrededor de 100 micrómetros), la permeancia se redujo a 5,1 GPU para PVDF y 6,1 GPU para PES.

Según el equipo, esta diferencia se debe a que “el gran espesor de la capa de agua, que probablemente ocupó todo el grosor de la membrana, condujo a una ruta de difusión más larga para los gases”. A pesar de ello, la selectividad frente al CO₂ se mantuvo constante en torno a 40, lo que indica que el principio podría adaptarse a escala industrial si se logra reducir el espesor de la capa acuosa en estos materiales.

Estas membranas abren una vía para la captura de carbono en centrales eléctricas e instalaciones industriales, así como para la purificación de hidrógeno, procesamiento de gas de síntesis y mejoras en el biogás.

Los autores señalaron que hacen falta más ajustes técnicos para solucionar la baja permeancia en los modelos a gran escala y garantizar la estabilidad a largo plazo bajo condiciones de sequedad extrema o contaminación.