Líquidos Iónicos como agentes de separación para la destilación extractiva de mezclas azeotrópicas

Cuando se trabaja con una mezcla azeotrópica y la destilación simple se convierte en un método no viable para separar sus componentes, se deben buscar alternativas, tales como la destilación a dos presiones diferentes para “saltar” ese azeótropo, o la adición de agentes separadores (en inglés “entrainers”) para romperlo; en este último caso se habla de destilación extractiva.

Uno de los numerosos usos propuestos para los líquidos iónicos (ILs en adelante) es el de emplearlos como agentes separadores, para lograr una separación más eficiente de estas mezclas azeotrópicas de difícil separación. Esta idea se propuso por primera vez en el 2001 por [Arlt et al], y desde entonces se han estudiado los efectos de los ILs sobre el equilibrio líquido-vapor de varias mezclas binarias, generalmente de agua + alcoholes, aunque también algunas orgánicas como acetona/metanol, o acetato de metil / metanol.

Las ventajas

Al añadir un IL a la mezcla a separar, éste se disocia en sus iones, los cuales interaccionan con los componentes de la mezcla, como sucede con cualquier sal inorgánica (tradicionalmente usadas para destilación extractiva); sin embargo, una ventaja importante de los ILs es que se pueden seleccionar al detalle los aniones y cationes más adecuados para conseguir mayor afinidad por uno de los compuestos de la mezcla, resultando en una más eficiente ruptura del azeótropo. Además, su presión de vapor nula a efectos prácticos conlleva no sólo que todo el IL saldrá por el fondo de la columna, sino además que posteriormente podrá ser fácilmente separado del otro componente con un simple flash y recirculado. Por si fueran pocas ventajas, a diferencia de las sales orgánicas, los ILs no darán problemas de cristalización a las temperaturas de trabajo porque se encuentran en estado líquido, lo que hace más fácil su recirculación (en todo caso puede que den problemas de bombeo por su habitualmente elevada viscosidad, pero las ventajas lo pueden compensar).

Los trabajos al respecto

Una dificultad importante a la hora de evaluar qué ILs sirven como agentes separadores para qué mezclas, es el gran número de combinaciones posibles (millones) de catión y anión para formar un IL. Como no es económicamente viable el estudio experimental del equilibrio líquido-vapor de cada combinación, los artículos existentes al respecto suelen seguir la misma mecánica para una mezcla y uno o más ILs concretos:

• determinación experimental de las líneas de equilibrio (generalmente isobáricas) de las 3 mezclas binarias (componente 1 + componente 2, IL + componente 1, IL + componente 2) y ajuste de los parámetros de interacción binaria; 
• predicción del ELV de la mezcla ternaria a partir de los parámetros obtenidos anteriormente; 
• determinación experimental de las líneas de equilibrio de la mezcla ternaria y contraste de los datos calculados por métodos predictivos.

Con este procedimiento se caracteriza el equilibrio ternario objetivo, al tiempo que se amplía la base de datos para contraste de métodos y mejora de predicciones. En los trabajos realizados hasta el momento, son varios los cationes y aniones estudiados; son cationes habituales el [emim] y el [bmim], y podemos encontrar aniones como el [N(CN)2], [BF4], [OAc], [PF6] o [triflate] en la literatura. Entre los métodos habituales para determinar si quedan trazas de IL en los componentes separados, destaca la cromatografía de gases, en algunos casos HSGC. La mayoría de artículos que han contrastado simulaciones con medidas experimentales concluyen que el método NRTL para electrolitos predice bien los datos de equilibrio, como ya lo hacía para el uso de sales inorgánicas como agentes separadores. Y en general, todos ellos concluyen que los ILs estudiados pueden ofrecer iguales o mejores prestaciones que las sales inorgánicas.

Actualmente hay pocos artículos, si se comparan con todos los publicados acerca de los ILs en general, donde se trate (ya sea directa o indirectamente) su aplicación como agentes separadores en destilación extractiva. En Scopus por ejemplo, no se encuentran más de 100 al respecto. Todavía queda pues camino por andar en esta dirección.

Catalizadores con líquidos iónicos soportados.

Una lucha contra los gases de post-combustión.

1) Situación actual en la captura de gases de combustión.

Tecnología de captura post-combustión:

Se trata de un conjunto de tecnologías, consecuencia de la experiencia de separación aplicada a otros procesos industriales muy conocidos como por ejemplo: gases, acero, amoniaco, etc.

Para ver más: http://www.minas.upm.es/investigacion/co2/cac.2.htm#

a) Absorción química

En este proceso el CO₂ reacciona con un líquido de absorción. Para ello se utilizan compuestos químicos (aminas y nuevos absorbentes en investigación) con gran afinidad de compuestos ácidos (CO₂) y se usan como solventes formulados, en una mezcla especial para atenerse a la tarea de separación. 

b) Ciclo de calcinación/carbonatación

Se basa en la absorción química, usando como sorbente a la caliza. La carbonatación es una reacción exotérmica donde los reactivos CO₂ y CaO reaccionan para producir CaCO₃. La calcinación en cambio es el proceso inverso.

c) Adsorción física

Básicamente se encarga de utilizar materiales capaces de adsorber el CO₂ generalmente a altas temperaturas, para luego recuperarlo mediante procesos de cambio de temperatura o presión (procesos TSA y PSA respectivamente).

d) Membranas

Este proceso se utiliza para la captura de altas concentraciones de CO₂ en gas natural a alta presión, de lo contrario (a baja presión) la fuerza de separación necesaria para el gas sería muy baja. 

e) Destilación criogénica

La información sobre este sistema es básica, y consiste a grandes rasgos en una serie de etapas de compresión, enfriamiento y expansión, en las cuales los componentes del gas se pueden separar en una columna de destilación.

Para ver más:  http://web.ing.puc.cl/~power/alumno08/co2capture/Postcombust.html

2) Absorción de gases en Líquidos iónicos.

Los líquidos iónicos son sales orgánicas con puntos de fusión por lo general a temperatura ambiente, por debajo de 100 ° C. Tienen una gran solubilidad del gas CO₂ según Blanchard et al. (1999) (también Anthony et al., 2002). Las tasas de absorción y desorción de CO₂ en polímeros (líquidos iónicos) son mucho más rápidas que estas en líquidos iónicos y la absorción/desorción es completamente reversible (Anderson et al., 2007; Tang et al., 2005a, b). La capacidad de absorción del gas en los líquidos iónicos, depende de la estructura química y molecular de los líquidos iónicos, especialmente los aniones (Tang et al., 2005a). Son candidatos absorbentes para la captura del CO₂ y la separación de post-combustión de gases de combustión de las centrales térmicas de carbón.

Para ver más: http://www.minas.upm.es/investigacion/co2/doc/herzog-meldon-hatton.pdf

3) Captura de gases de combustión con catalizadores de líquidos iónicos soportados.

La combinación de membranas y líquidos iónicos (IL), con despreciable presión de vapor y estabilidad térmica por encima de 200 ºC, se espera que reemplace las unidades de absorción con amina tradicionales, donde se producen pérdidas de disolvente asociadas con el contacto directo entre las fases gaseosa y líquida en la tecnología de separación de CO₂.

Los ILs que contienen el anión acetato, poseen una fuerte absorción de CO₂ a través de una amplia gama de temperaturas y presiones. Este se inmoviliza dentro de los poros de un soporte polimérico o cerámico. El CO₂ se disuelve en la membrana en la interfase de alimentación/membrana, difunde a través de la membrana, y se desorbe en la superficie de la membrana opuesta.

Preparación de líquidos iónicos soportados en membranas (SILMs)

Tubos de Al₂O₃/TiO₂ porosos se combinaron por primera vez con el líquido iónico de más alta solubilidad del CO₂ y disponible comercialmente, el acetato de 1-etil-3-metilimidazolio ([emim] [Ac]), para la separación del CO₂/N₂. El líquido iónico se inmoviliza primero en el soporte por un método de impregnación (SILM-A), y segundo mediante el recubrimiento de la capa exterior del TiO₂ mesoporoso (SILM-B).

Permeabilidad del gas en los SILMs

La permeancia a través del soporte vacío Al₂O₃/TiO₂ es alrededor de cuatro a cinco órdenes de magnitud más alta que los SILMs.

J. Albo et al. / Separation and Purification Technology 122 (2014) 440–448

Para ver más: Jonathan Albo, Tomohisa Yoshioka, Toshinori Tsuru, Porous Al₂O₃/TiO₂ tubes in combination with 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ionic liquid for CO₂/N₂ separation, Separation and Purification Technology (2013).

4) Posible aplicación personal.

Después de una búsqueda bibliográfica sin resultado, en la cual se estudie la capacidad de líquidos iónicos soportados en un catalizador poroso para la captura de gases de combustión (CO y NO_x), se vio que si se encuentran investigaciones sobre la captura de gases de N₂ y CO₂ con líquidos iónicos soportados con materiales porosos.

Esto puede ser debido a que la investigación es muy reciente y no se ha publicado nada todavía, o bien que esta investigación puede resultar que los resultados obtenidos den viabilidad o no en el proceso, queriendo decir que los resultados obtenidos pueden que no tengan reproducibilidad.

Líquidos Iónicos Aplicados a la Mejora de Transistores Eléctricos de Doble Capa (EDLT)

El uso de líquidos iónicos ha suscitado un gran interés en los últimos años dentro 
del campo de la Química.  Este interés se debe principalmente a que estos compuestos, usados en un principio en aplicaciones electroquímicas, presentan una gran utilidad como disolventes, a la vez que han dado excepcionales resultados en otras aplicaciones donde constituyen un nuevo medio para las reacciones químicas. Todas sus aplicaciones están basadas en sus propiedades únicas entre las que destacan su presión de vapor prácticamente nula y una alta estabilidad química y térmica que permite su reutilización.

Sin embargo los líquidos iónicos no sólo han despertado interés en el campo de la Química,  en la actualidad se han encontrado nuevas  aplicaciones de los líquidos Iónicos en el área  construcción y mejora  de las propiedades de los semiconductores con los cuales se fabrican los transistores que son la base de la tecnología actual .  

Los tan usados semiconductores, poseen una resistencia intermedia entre metales y aislantes y son la base de la tecnología electrónica actual, mientras que los superconductores, son conductores perfectos y permiten el paso de la corriente sin disipación de energía.

 El funcionamiento de los actuales transistores está basado en la posibilidad de controlar la capacidad de conducción de los semiconductores utilizando un campo eléctrico. Teniendo en mente este simple principio, el reciente desarrollo de un nuevo concepto de transistores y el descubrimiento de otros compuestos más allá de los semiconductores ofrece una doble alternativa y da un paso más, generando nuevos y excitantes desafíos para la ciencia básica y sus aplicaciones.

La idea de este nuevo transistor está basada en la utilización de un líquido iónico, ofreciendo unas propiedades físico-químicas extraordinarias. La polarización debida a las cargas libres del líquido da lugar a campos eléctricos muy intensos.

Este tipo de transistores basados en la utilización de los líquidos iónicos se conoce como transistor eléctrico de doble capa (EDLT).

En la interacara sólido-liquido, se autorganiza una doble capa eléctrica de Helmholz (EDL) . Esta doble capa puede entenderse como un capacitor formado por una serie de iones en el electrolito y otra serie en la superficie del sólido formado por la carga imagen acumulada. Estas dos capas están separadas por menos de 1nm, debido al  elevado campo eléctrico que se  genera  permitiendo , por ejemplo, inducir superconductividad  en materiales como  los óxidos complejos que  están cerca de una transición metal- aislante y por ello son muy sensibles a la acción del campo eléctrico  , gracias al amplio margen de variación de la densidad electrónica.

http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2011/May/22051101.asp 

La posibilidad de cambiar el comportamiento de un material, de superconductor a aislante y viceversa, tan solo encendiendo el botón de la fuente de energía es realmente tentadora. Motivados por estas perspectivas,  grupos de investigación alrededor de todo el mundo dirigen sus esfuerzos a investigar el uso de los   líquidos iónicos en el desarrollo de lo que parece ser una nueva aplicación de los mismos, la mejora de los transistores a partir de la manipulación de los campos eléctricos .