Separación mejorada de alcohol-agua mediante nanotubos de grafeno: una perspectiva desde la dinámica molecular
La producción eficiente de bioalcoholes, un tema central en la búsqueda de alternativas a los combustibles fósiles, requiere métodos de separación altamente selectivos para extraer el alcohol de las soluciones acuosas. Tradicionalmente, este proceso se ha realizado mediante destilación, un procedimiento que consume mucha energía y presenta dificultades, como la formación de mezclas azeotrópicas y la pequeña diferencia en los calores de vaporización entre el alcohol y el agua. En este contexto, la pervaporación a través de membranas hidrofóbicas o hidrofílicas se presenta como una alternativa más rentable y eficiente energéticamente, aprovechando la diferente afinidad de las moléculas de agua y alcohol por las paredes del material poroso.
Para optimizar esta técnica, nuestro grupo recurrió a simulaciones de Dinámica Molecular (DM) a gran escala, utilizando nanotubos de carbono de una sola capa como modelo de canal de membrana hidrofóbica. Este enfoque no solo nos permitió modelar el proceso de pervaporación, sino también examinar las etapas de no-equilibrio mientras una solución acuosa de metanol en un depósito fluía hacia un depósito inicialmente vacío. La simulación requirió el uso de campos de fuerza optimizados, como TIP4P/2005 para el agua y OPLS/2016 para el metanol, que describen con precisión las propiedades de estas mezclas y sus interacciones [1].
El resultado más significativo de este trabajo es la demostración de que el confinamiento a nanoescala en los poros de carbono potencia drásticamente el rendimiento de la destilación de metanol. Al estudiar la mezcla confinada a 398 K, se observó un aumento sustancial en la concentración de alcohol en el depósito receptor. En particular, para la solución más diluida (\(X_{\text{MeOH}} = 0.115\)) filtrada a través del nanotubo más estrecho (\(D = 10.5\) Å), la concentración de metanol en la fase de vapor resultante aumentó aproximadamente un 60% por encima de lo que se obtendría en una destilación directa de una sola etapa.
A nivel molecular, esta mejora en la selectividad se explica por la preferencia de flujo del metanol dentro de los nanotubos hidrofóbicos. En tubos angostos, el metanol se adhiere preferencialmente a las paredes, y se observa que tanto la velocidad como el flujo de partículas son sustancialmente mayores para el metanol que para el agua. Este hallazgo establece principios fundamentales para el diseño de futuras membranas: los poros de diámetro inferior a 15 Å maximizan la extracción de metanol de soluciones diluidas aprovechando esta selectividad geométrica. Sin embargo, para mezclas más ricas, los poros más grandes (mayores de 21 Å) podrían ser más adecuados para optimizar el flujo total de permeado.