Filtros ultrafinos de carbono

Por Gustavo R. Plaza (Universidad Politécnica de Madrid)

Un tema importante en la investigación actual es el desarrollo de filtros que permitan separar diferentes líquidos o gases, siendo primordial el tratamiento y purificación de agua y también la purificación de disolventes orgánicos en actividades relacionadas con la energía, la industria química o el medioambiente.

En el último número de la revista Science se han publicado dos trabajos que estudian membranas ultrafinas cuyo componente fundamental es el carbono y que actúan como filtros muy selectivos para el agua o para disolventes orgánicos. Las estrategias empleadas en estos filtros son diferentes: en el primer caso el material contiene poros que sólo permiten el paso de la sustancia deseada, y en el segundo la sustancia pasa por difusión a través del material sin poros.

Lámina de óxido de grafeno desarrollada por el grupo del Profesor Geim (C&EN)

El trabajo del grupo del Profesor Izume Ichinose, del National Institute for Materials Science de Japón, muestra el desarrollado de láminas de carbono, de un espesor de unos 20nm (1nm es la millonésima parte de 1mm) con poros de tamaño cercano a 1nm. En el material, algunos átomos de carbono están unidos por enlaces covalentes a cuatro átomos vecinos (como ocurre en el diamante) y otros átomos están unidos a tres átomos (como ocurre en el grafito). Estas láminas permiten el paso de disolventes orgánicos, con flujos del orden de cientos de litros por metro cuadrado y por hora, 1000 veces superiores a los flujos en filtros industriales. El tamaño nanométrico de los poros impide el paso de las moléculas más grandes disueltas en el disolvente. Para obtener las láminas, estos investigadores realizaron un proceso de deposición química de vapor (chemical vapor deposition) de moléculas de acetileno y otros precursores.

 

Representación de una lámina de grafeno, esto es, una lámina formada for átomos de carbono, con un espesor de un átomo.

Independientemente, en la Universidad de Mánchester (Reino Unido), el grupo del Profesor Andre K. Gein ha obtenido láminas de óxido de grafeno con un espesor cercano a 1 micra (una milésima parte de 1mm). El Profesor Gein recibió en 2010 el Premio Nobel de Física por sus trabajos con grafeno (lámina de carbono con espesor de un átomo). Ahora, las membranas micrométricas están compuestas por planos paralelos de óxido de grafeno, y permiten el paso del vapor de agua a través de ellas prácticamente sin oponer resistencia, pero impiden el paso de las demás moléculas que han utilizado los investigadores. Estas láminas son higroscópicas, es decir, absorben agua si la humedad ambiental es elevada, y esta absorción da lugar a una dilatación del material. La sorprendente permeabilidad al paso del agua sólo se observa cuando la humedad ambiental es elevada y los investigadores creen que es debido a que el agua absorbida, que aumenta la distancia entre planos de óxido de grafeno, facilita la difusión de las moléculas de agua.

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Comentarios

Hola. Me gustaría saber si es posible utilizar una lamina de grafeno para ” filtrar” el oxigeno de una molécula de dióxido de carbono.
Gracias.

Estos filtros permiten o impiden con más o menos éxito el paso de moléculas, pero sin que se produzca una reacción química. Entendemos que tu pregunta se refiere a si es posible romper la molécula de dióxido de carbono (CO2) y a continuación hacer pasar el oxígeno a través del filtro (tendrías moléculas con dos átomos de oxígeno, O2): los filtros no serían útiles para esa primera reacción química que dé lugar a la separación de carbono y de oxígeno.

Para romper la molécula de CO2 sería necesario aportar energía. Un ejemplo es lo que ocurre en la fotosíntesis (http://en.wikipedia.org/wiki/Photosynthesis) de las plantas, siendo la energía aportada por las ondas luminosas que llegan del sol. El proceso permite liberar una molécula de O2 por cada molécula de CO2.

Perdón. Yo pienso que si una corriente de aire atravesara una lamina de grafeno, esta provocaría la disociación ionica. La reacción se produciría por calor o por corriente electrica??. Y el carbono resultante serviría para producir mas grafeno. El oxigeno resultante para enriquezer el ozono. Gracias

Perdón. No se podría producir la disociación ionica con calor o electricidad?? ( calentando la lamina de grafeno o aplicandola corriente. Incluso antes de pasar por la lamina).
Gracias.

Perdona. Se podría conseguir la reacción química para separar el oxigeno del carbono con calor o corriente eléctrica??? ( obteniendo carbono para nuevas laminas de grafeno y oxigeno para el ozono).
Gracias.

Para disociar la molécula de CO2 la temperatura necesaria es muy elevada, superior a la temperatura a la que se produce la oxidación del grafeno (no más allá de unos 800ºC). Al aportar energía, se degradaría el grafeno antes de llegar a la temperatura necesaria para disociar el CO2. Y en cualquier caso, incluso si se alcanzara la temperatura necesaria para tener un gas de átomos, al volver a enfriar se recuperaría el compuesto incial, CO2.

En principio, es posible obtener carbono y oxígeno por separado a partir de CO2, en un proceso con varias etapas, en presencia de otros compuestos y aportando la energía (calor) suficiente. Puedes leer la referencia siguiente, aunque quizás es un texto poco asequible: http://www.pre.ethz.ch/publications/journals/full/j36.pdf (dx.doi.org/10.1021/ie950780y).

gracias por las respuestas. Me deje llevar por la emoción de una maquina que pudiera limpiar el CO2 de la atmósfera gracias al redescubierto grafeno. Un material muy a tener en cuenta. Puede que en un futuro, cuando se le conozca mejor, pueda hacer esta y otras cosas.
Gracias otra vez.

P.D. La universidad de california esta investigando disaciociar el carbono y el oxigeno mediante corriente eléctrica a partir de energía solar. También con energia añadida y una base de níquel al final (según se). Quería saber si es el metodo que me ha expuesto anteriormente (no domino el ingles y apenas he descifrado que era un trabajo suizo de 1997).
Aunque mi idea completa es separar ese carbono para aprovecharlo. Mi idea es filtrar ese “aire” de átomos a través de una lamina de grafeno. Pienso que por la densidad de cada elemento, el oxigeno atravesara el grafeno, dejando el carbono atrás (puede que este sea el principio de toda la errónea teoría). Si funcionara, quizás, se podrían poner varias laminas unas detrás de otras, dejando una separacion del grosor de una lamina de grafeno. Produciría laminas de carbono listas para tratar….en teoría.
Esta es la ultima pregunta. Podría ser?
Perdone por las molestias.
Gracias.

Entiendo tu deseo de obtener esa aplicación beneficiosa. Para separar los dos elementos se necesita primeramente disociar la molécula. El simple filtrado no va a separar átomos enlazados covalentemente.

No conozco todos los procesos que se hayan podido diseñar para disociar carbono y oxígeno, pero en principio deben compartir esas características: es necesaria una aportación de energía y en las diferentes reacciones se obtienen productos intermedios, hasta llegar al resultado final.

Con esa idea, supongo que el método ecológico para reducir el nivel de CO2 en la atmósfera, aplicando estos procesos, es hacer que la energía necesaria sea obtenida de la radiación que llega del sol.

Las plantas permiten obtener el mismo resultado, y en mi opinión tienen otros efectos positivos.

Espero que las plantas sean suficiente para contener el nivel de carbono en la atmósfera.
Gracias por sus respuestas. Han sido de gran ayuda para aclarar mi teoría (aun no descartada) y relajar así mis pensamientos sobre esta idea.
Gracias de nuevo.

P.d. Disculpas por la escritura.

hola Santiago,

estoy investigando en la línea que tu propones de disociar el CO2 y poder transformalo y así rebajar su presencia en la atmosfera. te animo a que sigas con ella. yo estoy en ello. si quieres compartir el desarrollo ya vamos comentando.

hola a todos:

La verdad es que también me atrapo la idea de un filtro de grafeno que pueda disociar el CO2.
si bien el grafeno para poder disociar el CO2 necesita la aplicación de altas temperaturas, la cual no puede resistir, que pasa si se le aplica algún otro elemento para que pueda resistir la cantidad de temperatura necesaria.

por ejemplo partículas de oro:

http://flopiba.blogspot.com/2012/01/el-grafeno-fabricado-sobre-cristales-de.html

en este link hay información al respecto. espero me den su opinión al respecto.

saludos :)

[...] consorcio al que se le ha adjudicado el proyecto de grafeno está liderado por la Chalmers University of Technology, en Gothenburg, Suecia. Según la [...]

buenas noches, la lamina de grafeno captura el carbono y permite el paso de oxigeno.
Estoy investigando que membrana me permite la captura del carbono, permitiendo el paso forzado de oxigeno

Los filtros ultrafinos de carbono permitan separar diferentes líquidos o gases siendo su objetivo principal el tratamiento y purificación de agua y también la purificación de disolventes orgánicos. Estos filtros ultrafinos de carbono tienen un espesor de unos 20nm y sus poros tienen un tamaño cercano a 1nm estos están unidos por enlaces covalentes a cuatro átomos vecinos. Las láminas que se encuentran ahi permiten el paso de disolventes orgánicos, con un flujos de cientos de litros por metro cuadrado y por hora, y son 1000 veces superiores a los flujos en filtros industriales. Existen dos tipos, el primero permiten el paso de la sustancia deseada en el segundo la sustancia pasa por difusión a través del material sin poros.

los filtros ultra finos de carbono se los puede usar para separa líquidos y gases también se los usa para el tratamiento y purificación pero también se los usa para los disolventes orgánicos.
pero luego descubrieron las laminas de oxido de grafeno que comprobaron que estas tenían un mejor filtrado para una mejor separación de líquidos y gases para los tratamientos de agua y también para el uso científico en algunos casos.

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