La mayoría de los químicos industriales pasan sus días separando los componentes de grandes cantidades de mezclas químicas en formas puras o más puras. Los procesos involucrados, como la destilación, representan entre el 10 y el 15% del consumo de energía del mundo1, 2.

Los métodos para purificar productos químicos que son más eficientes energéticamente podrían, si se aplicaran solo a los sectores de fabricación de petróleo, productos químicos y papel de los Estados Unidos, ahorrar 100 millones de toneladas de emisiones de dióxido de carbono y 4 mil millones de dólares estadounidenses en costos de energía anual3 (véase «Reducción de costos»). Otros métodos permitirían explotar nuevas fuentes de materiales, por ejemplo, extrayendo metales del agua de mar.

Desafortunadamente, las alternativas a la destilación, como separar moléculas de acuerdo con sus propiedades químicas o tamaño, están poco desarrolladas o son costosas de escalar. Los ingenieros de la industria y el mundo académico necesitan desarrollar membranas mejores y más baratas y otras formas de separar mezclas de productos químicos que no dependen del calor.

Aquí, destacamos siete procesos de separación química que, si se mejoran, obtendrían grandes beneficios globales. Nuestra lista no es exhaustiva; casi todos los productos químicos comerciales surgen de un proceso de separación que podría mejorarse.

Siete separaciones

Hidrocarburos del petróleo crudo. Los principales ingredientes para la fabricación de combustibles fósiles, plásticos y polímeros son los hidrocarburos. Cada día, las refinerías de todo el mundo procesan alrededor de 90 millones de barriles de petróleo crudo, aproximadamente 2 litros por cada persona en el planeta. La mayoría lo hace utilizando destilación atmosférica, que consume alrededor de 230 gigavatios (GW) a nivel global3, equivalente al consumo total de energía del Reino Unido en 2014, o aproximadamente la mitad del de Texas. En una refinería típica, se calientan 200.000 barriles diarios de petróleo crudo en columnas de 50 metros de altura para liberar miles de compuestos según sus puntos de ebullición. Los gases ligeros emergen en la parte superior fría (alrededor de 20 °C); los fluidos progresivamente más pesados salen en puntos más bajos y más calientes (hasta 400 °C).

Encontrar una alternativa a la destilación es difícil porque el petróleo crudo contiene muchas moléculas complejas, algunas con altas viscosidades, e innumerables contaminantes, incluidos compuestos de azufre y metales como el mercurio y el níquel. En principio, es factible separar los hidrocarburos de acuerdo con sus propiedades moleculares, como la afinidad química o el tamaño molecular. Los métodos de separación basados en membrana, u otros no térmicos, pueden ser un orden de magnitud más eficientes energéticamente que las separaciones impulsadas por calor que utilizan destilación. Pero se ha investigado poco.

Los investigadores necesitan encontrar materiales que sean capaces de separar muchas familias de moléculas al mismo tiempo, y que funcionen a las altas temperaturas necesarias para mantener el flujo de aceites pesados sin ser bloqueados por contaminantes.

Uranio de agua de mar. La energía nuclear será crucial para la futura generación de energía con bajas emisiones de carbono. Aunque la trayectoria de la industria nuclear es incierta, a las tasas de consumo actuales, las reservas geológicas conocidas de uranio (4,5 millones de toneladas) pueden durar un centurio4. Más de 4 mil millones de toneladas de uranio existen en el agua de mar a niveles de parte por mil millones.

Los científicos han buscado formas de separar el uranio del agua de mar4 durante décadas. Hay materiales capaces de capturar uranio, como polímeros porosos que contienen grupos de amidoxima. Pero estas «jaulas» moleculares también capturan otros metales, incluidos el vanadio, el cobalto y el níquel.

Los químicos necesitan desarrollar procesos para eliminar estos metales mientras purifican y concentran uranio del agua de mar. En 1999-2001, los equipos japoneses capturaron alrededor de 350 gramos de uranio utilizando un tejido adsorbente4. La puesta en marcha de una nueva planta de energía nuclear requiere cientos de toneladas de combustible de uranio, por lo que la escala de estos procesos tendría que aumentarse enormemente. En particular, se necesitan esfuerzos para reducir los costos de los materiales adsorbentes.

Tecnologías similares podrían capturar otros metales precios4, como el litio, que se utiliza en las baterías. La cantidad de litio disuelto en los océanos es diez veces mayor que la de los recursos terrestres conocidos; el tamaño limitado de estos últimos puede convertirse en una barrera a largo plazo para el almacenamiento de energía.

Alquenos de alcanos. La fabricación de plásticos como el polietileno y el polipropileno requiere alquenos — hidrocarburos como el eteno y el propeno, también conocidos como olefinas. La producción anual mundial de eteno y propeno supera los 200 millones de toneladas, unos 30 kilogramos por persona en el planeta. La separación industrial del eteno del etano se basa típicamente en la destilación criogénica de alta presión a temperaturas tan bajas como -160 °C. La purificación de propeno y eteno por sí sola representa el 0,3% del uso de energía global, aproximadamente equivalente al consumo anual de energía de Singapur.

Al igual que con el petróleo crudo, encontrar sistemas de separación que no requieran cambios de una fase a otra podría reducir en un factor de diez la intensidad energética del proceso (energía utilizada por unidad de volumen o peso del producto) y compensar las emisiones de carbono en una cantidad similar5. Por ejemplo, se están desarrollando membranas de carbono porosas que pueden separar alquenos y alcanos gaseosos (también llamados parafinas) a temperatura ambiente y a presiones suaves (menos de 10 bar)6. Pero estos aún no pueden producir los alquenos puros de más del 99,9% necesarios para la fabricación de productos químicos.

A corto plazo, las técnicas de separación «híbridas» podrían ayudar: las membranas se pueden usar para la separación a granel y la destilación criogénica para «pulir» el producto. Tales enfoques reducirían la intensidad energética de la producción de alquenos en un factor de 2 o 3, hasta que las membranas se vuelvan lo suficientemente buenas como para reemplazar por completo la destilación. Un obstáculo importante es la ampliación de las membranas: la industria podría requerir superficies de hasta 1 millón de metros cuadrados. El despliegue a esta escala requerirá nuevos métodos de fabricación, así como avances en las propiedades de los materiales.

Gases de efecto invernadero procedentes de emisiones diluidas. Las emisiones antropógenas de CO2 y otros hidrocarburos, como el metano liberado de refinerías y pozos, son factores clave que contribuyen al cambio climático mundial. Es costoso y técnicamente difícil capturar estos gases de fuentes diluidas, como las centrales eléctricas, los escapes de las refinerías y el aire.

Líquidos como la monoetanolamina reaccionan fácilmente con el CO2, pero debido a que se debe aplicar calor para eliminar el CO2 del líquido resultante, el proceso no es económicamente viable para las centrales eléctricas. Si el enfoque se aplicara a todas las centrales eléctricas de los Estados Unidos, la captura de CO2 podría costar el 30% del crecimiento anual del producto interno bruto del país7. Es necesario desarrollar métodos más baratos para capturar las emisiones de CO2 e hidrocarburos con costos de energía mínimos.

Un factor de complicación es decidir qué hacer con el producto purificado. El CO2 podría utilizarse en un método de producción de petróleo crudo conocido como recuperación mejorada de petróleo, o en la agricultura vertical y como materia prima química y de biorrefinería. Pero las actividades humanas emiten tanto gas8 que, en la práctica, gran parte de él tendrá que almacenarse a largo plazo en depósitos subterráneos, lo que plantea otros problemas.

Metales de tierras raras de minerales. Los 15 metales lantánidos, o elementos de tierras raras, se utilizan en imanes, en tecnologías de energía renovable y como catalizadores en la refinación de petróleo. Las lámparas fluorescentes compactas utilizan europio y terbio, por ejemplo, y los convertidores catalíticos dependen del cerio. La producción económica de tierras raras es un problema de separación, no de disponibilidad. A pesar de su nombre, la mayoría de los elementos son mucho más abundantes en la corteza terrestre que el oro, la plata, el platino y el mercurio. Desafortunadamente, las tierras raras se encuentran en cantidades trazas en minerales y a menudo se mezclan porque son químicamente similares.

La separación de tierras raras de minerales requiere enfoques mecánicos (como separación magnética y electrostática) y procesamiento químico (como flotación de espuma). Estos son ineficientes: deben lidiar con las complejas composiciones de minerales extraídos, usar grandes volúmenes de productos químicos y producir muchos desechos y subproductos radiactivos. Se necesitan urgentemente mejoras.

El reciclaje de tierras raras a partir de productos desechados está aumentando. Se podrían diseñar procesos a medida porque las composiciones químicas y físicas de los productos están bien definidas. Se han explorado diversos métodos de extracción metalúrgica y en fase gaseosa, pero las tierras raras recicladas todavía no forman parte de la mayoría de las cadenas de abastecimiento9, 10. Se necesita investigación para reducir el impacto ecológico de los artículos clave que contienen tierras raras a lo largo de todo su ciclo de vida.

Derivados del benceno entre sí. Las cadenas de suministro de muchos polímeros, plásticos, fibras, disolventes y aditivos para combustibles dependen del benceno, un hidrocarburo cíclico, así como de sus derivados, como el tolueno, el etilbenceno y los isómeros del xileno. Estas moléculas se separan en columnas de destilación, con costos globales combinados de energía de aproximadamente 50 GW, suficientes para alimentar aproximadamente 40 millones de hogares.

Los isómeros del xileno son moléculas con ligeras diferencias estructurales entre sí que conducen a diferentes propiedades químicas. Un isómero, para-xileno (o p-xileno), es el más deseable para producir polímeros como el tereftalato de polietileno (PET) y poliéster; en los Estados Unidos se producen más de 8 kilogramos de p-xileno per cápita cada año. El tamaño y los puntos de ebullición similares de los diversos isómeros de xileno hacen que sea difícil separarlos mediante métodos convencionales como la destilación.

Los avances en membranas o sorbentes podrían reducir la intensidad energética de estos procesos. En cuanto a otros procesos químicos a escala industrial, la aplicación de tecnologías alternativas para separar los derivados del benceno requerirá que se demuestre su viabilidad a escalas sucesivas mayores antes de su aplicación comercial. Construir una planta química puede costar US billion 1 mil millones o más, por lo que los inversores quieren asegurarse de que una tecnología funcionará antes de construir una nueva infraestructura.

los contaminantes del agua. La desalinización, ya sea a través de destilación o filtración por membrana, es intensiva en energía y capital, lo que la hace inviable en muchas áreas secas. La destilación no es la respuesta: la termodinámica define la cantidad mínima de energía necesaria para generar agua potable a partir de agua de mar, y la destilación utiliza 50 veces más energía que este límite fundamental.

La filtración por ósmosis inversa, un proceso que aplica presión a través de una membrana al agua salada para producir agua pura, requiere solo un 25% más de energía que el límite termodinámico5. Pero las membranas de ósmosis inversa procesan el agua a velocidades limitadas, lo que requiere plantas grandes y costosas para producir un flujo suficiente. La ósmosis inversa de agua de mar ya se realiza a escala comercial en Oriente Medio y Australia. Pero las dificultades prácticas de manejar el agua más contaminada, incluida la corrosión, la formación de biopelículas, la incrustación y la deposición de partículas, significan que también se necesitan costosos sistemas de pretratamiento.

El desarrollo de membranas que sean más productivas y resistentes al ensuciamiento reduciría los costos operativos y de capital de los sistemas de desalinización hasta el punto de que la técnica es comercialmente viable incluso para fuentes de agua altamente contaminadas.

Próximos pasos

Los investigadores académicos y los encargados de formular políticas deben centrarse en las siguientes cuestiones.

En primer lugar, los investigadores e ingenieros deben considerar mezclas químicas realistas. La mayoría de los estudios académicos se centran en productos químicos individuales e inferen el comportamiento de las mezclas utilizando esta información. Este enfoque corre el riesgo de perderse fenómenos que solo ocurren en mezclas químicas, e ignora el papel de los contaminantes en trazas. Los académicos y líderes en investigación y desarrollo industrial deben establecer mezclas sustitutivas para separaciones comunes que incluyan los principales componentes químicos y contaminantes comunes.

En segundo lugar, la economía y la sostenibilidad de cualquier tecnología de separación deben evaluarse en el contexto de todo un proceso químico. Deben utilizarse métricas de rendimiento como el costo por kilogramo de producto y el consumo de energía por kilogramo. Es necesario tener en cuenta los costos de vida útil y reemplazo de componentes como módulos de membrana o materiales absorbentes.

En tercer lugar, en las primeras etapas del desarrollo tecnológico se debe considerar seriamente la escala a la que se requiere el despliegue. Se necesitará infraestructura física, como bancos de pruebas de funcionamiento académico e industrial, para llevar las nuevas tecnologías del laboratorio a escalas piloto, de modo que se pueda reducir cualquier riesgo percibido. La gestión de este proceso requerirá la colaboración del mundo académico, las agencias gubernamentales y los socios de la industria.

En cuarto lugar, la formación actual de ingenieros químicos y químicos en separaciones a menudo hace mucho hincapié en la destilación. La exposición a otras operaciones, como la adsorción, la cristalización y las membranas, es crucial para desarrollar una fuerza de trabajo capaz de implementar todo el espectro de tecnologías de separación que el futuro requerirá.