Separazioni chimiche: nuove frontiere della ricerca

I processi di separazione sono fondamentali per l’industria chimica. Tutti quelli attualmente utilizzati, però, richiedono grosse quantità di energia. Migliorando queste separazioni, per esempio grazie all’utilizzo di membrane, potremmo spendere meno risorse energetiche e ridurre il livello di inquinamento.
Esploriamo sette separazioni chimiche, fondamentali per l’industria, che andrebbero migliorate per ridurre inquinamento e costi. Separazioni chimiche, necessità di migliorare

Nell’industria chimica uno dei processi più importanti e più rilevanti, anche a livello di costo energetico, è quello di separazione. Per separazione si intende l’ottenimento di un prodotto puro (o a maggior grado di purezza) a partire da una miscela di due o più componenti. Un esempio importantissimo di separazione è quella del petrolio greggio, separato attraverso distillazione in tantissimi componenti, tutti di estrema importanza per tanti settori differenti dell’industria.

I processi di separazione, però, sono causa di circa il 10-15% del consumo di energia negli Stati Uniti e, chiaramente, se migliorati o sostituiti con tecniche più raffinate ed efficienti, si potrebbero risparmiare quantità enormi di risorse. Proprio a tal riguardo, un articolo di David Sholl e Ryan Lively, pubblicato su Nature, ha enunciato sette separazioni da migliorare per ottenere benefici sia di natura economica, sia di natura ambientale (per esempio riducendo le emissioni di gas serra o di altre sostanze pericolose).

Ad oggi, la distillazione è la tecnica più utilizzata per separare miscele, sebbene ne esistano altre. È possibile, ad esempio, separare le molecole in base alle loro dimensioni oppure in base alle loro proprietà chimiche, utilizzando apposite membrane. Solitamente, però, per questi processi è difficile fare uno scale-up (cioè un passaggio da scala di laboratorio a scala industriale) e risultano più costosi delle tecniche convenzionali.

Idrocarburi = plastica

La prima separazione da citare è quella di idrocarburi da petrolio greggio. Spesso si parla di petrolio in funzione dell’ottenimento delle fonti energetiche, ma non bisogna dimenticare che anche moltissimi polimeri e plastiche sono ottenuti dai suoi numerosissimi componenti.

La separazione convenzionale, attraverso distillazione, ha un costo energetico di 230 GW l’anno, cioè il consumo energetico annuale del Regno Unito nel 2014. Questa separazione è effettivamente complessa: ci sono migliaia di composti che vengono separati in base al loro punto di ebollizione e sono presenti moltissimi contaminanti (metalli, zolfo ecc.).

Un miglioramento di questa separazione porterebbe, come facilmente immaginabile, innumerevoli benefici. Occorre però trovare materiali in grado di separare molte molecole contemporaneamente ed alle alte temperature necessarie al processo (ci sono molti componenti viscosi che solo ad alte temperature riescono a fluire adeguatamente).

Uranio dagli oceani

La quantità di uranio presente nelle riserve geologiche è di circa 4.5 milioni di tonnellate. Negli oceani, invece, si stima ci siano più di 4 miliardi di tonnellate di questo prezioso elemento. La separazione di uranio dagli oceani è in sviluppo da numerosi anni. Sono stati testati dei polimeri con gruppi funzionali PAO (polyamidoxime) capaci di catturare l’uranio dall’oceano: il problema è che essi adsorbono – con cinetiche anche più veloci – altri metalli, quali ad esempio il vanadio.

Sebbene il futuro dell’energia nucleare sia molto incerto, uno sviluppo di queste separazioni potrebbe dare una svolta all’utilizzo di questa energia pulita, almeno a livello di emissioni di gas serra. Tra l’altro, lo stesso metodo potrebbe essere utilizzato anche per altri materiali: uno su tutti è il litio, utilizzato nelle batterie.

Alcheni ed alcani

Plastiche molto importanti, come il polietilene ed il polipropilene, sono sintetizzate da alcheni (etilene e propilene). Anche in questo caso un processo di separazione è necessario per ottenere gli alcheni da miscele gassose in cui sono presenti anche gli alcani (es. separazione di etilene da etano).

L’attuale tecnica di separazione è una distillazione criogenica ad alta pressione e temperatura di –160°C. Come si può immaginare, è una tecnica molto costosa a livello energetico. Considerando che si producono 200 milioni di tonnellate di etilene e propilene ogni anno, si può intuire quanto può essere importante una tecnica alternativa.

La tecnica alternativa esiste ed anche in questo caso sfrutta delle membrane, nello specifico, membrane porose a base di carbonio, con le quali è possibile separare alcani ed alcheni in fase gassosa, a temperatura ambiente e pressioni non elevate (minori di 10 bar).

Il problema è che non riescono a separare al 99.9% gli alcheni, cioè il valore richiesto dall’industria della plastica. Una soluzione a breve termine (prima di sviluppare membrane che possano ottenere il risultato richiesto) potrebbe essere l’unione di queste due tecniche. Le membrane potrebbero separare la gran parte del gas e la distillazione potrebbe purificare a livello richiesto il composto desiderato.  Un’altra problematica da affrontare, però, risulta lo scale-up delle membrane: per i quantitativi richiesti dalle industrie, dovrebbero essere sviluppati nuovi metodi di produzione.

Gas serra

Le emissioni di CO₂ sono la principale causa del riscaldamento globale. Una tecnica per mitigare le emissioni consiste nel catturare l’anidride carbonica in uscita, ad esempio, dai fumi di un impianto industriale (produzione di energia elettrica su tutti).

La cattura di anidride carbonica è stata investigata in tantissimi modi, che tratteremo nel dettaglio in un altro articolo. Attualmente si utilizzano soluzioni acquose di MEA (monoetanolammina) al 15% per catturare la CO₂ durante il processo di produzione di ammoniaca. Applicato agli impianti di produzione elettrica, però, questa sarebbe una soluzione troppo costosa che porterebbe al raddoppio del prezzo dell’energia.

Il motivo dell’elevato costo sta nella rigenerazione e volatilità del solvente. L’ammina è volatile e dunque viene persa durante il processo, inoltre deve essere rigenerata ad alta temperatura con vapore (che, a sua volta, va generato utilizzando altra energia).

Anche in questo caso, dunque, sviluppare un metodo di separazione efficace ed economico è necessario per mitigare le emissioni di gas serra in attesa dello switch alle fonti rinnovabili.

Metalli delle terre rare

Le terre rare sono quei blocchetti della tavola periodica occupata dai lantanidi (a cui si aggiungono scandio e ittrio). Le applicazioni di questi metalli sono numerosissime: oltre a quelle più particolari, come superconduttori o magneti, siate ben certi che avete anche voi in casa la vostra buona dose di questi metalli (almeno se avete smartphone e televisione!). La loro produzione non è questione di disponibilità, ma di separazione. Ciò vuol dire che l’abbondanza di questi metalli non è poi così bassa, ma è difficile estrarli: essendo chimicamente simili tra loro, si trovano in tracce in leghe contenenti differenti metalli.

Le attuali tecniche di separazione coinvolgono metodi meccanici e chimici capaci di generare grosse quantità di rifiuti, anche radioattivi. Quindi, dei miglioramenti di queste tecniche sono decisamente necessari. In questo particolare caso, però, risulta fondamentale anche il riciclo di materiali che contengono questi elementi. Sotto questo punto di vista è da migliorare l’impatto ecologico che hanno tali prodotti lungo tutto il loro ciclo di vita.

Derivati del benzene

I derivati del benzene (toluene, etilbenzene, xilene ecc.) sono composti molto simili strutturalmente, tali composti vanno separati poiché vengono utilizzati per molte applicazioni differenti: solventi, fibre, polimeri. La separazione di questi composti avviene per distillazione, con un consumo annuale di 50 GW, abbastanza da dare energia a 40 milioni di case.

Nel caso dei derivati del benzene, così come anche in altri casi già visti, le tecnologie alternative che utilizzano membrane possono ridurre i costi in maniera drastica. Le zeoliti, ad esempio, sono capaci di separare selettivamente le molecole in base alle loro dimensioni (sono praticamente setacci molecolari). Tale caratteristica si spiega facilmente osservando le strutture molecolari di questi alluminosilicati: posseggono numerosi “buchi” che possono essere occupati solo da una certa classe di composti.

Contaminanti nelle acque

Per concludere, un’altra separazione importante è quella delle acque. Il processo di desalinazione delle acque necessita quantità elevate di energia. Per produrre acqua potabile, però, la distillazione è troppo dispendiosa energeticamente e non è la risposta adatta. L’alternativa attualmente in gioco è l’osmosi inversa, che si basa sull’applicazione di pressione per far passare le molecole di solvente (acqua) attraverso una membrana, purificandola.

L’applicazione su grossa scala è difficile da realizzare, però, poiché i flussi attraverso le membrane non possono essere molto elevati, e per trattare grandi quantitativi d’acqua occorre progettare degli impianti di dimensioni molto elevate.

Inoltre, la decontaminazione delle acque deve essere realizzata anche in ambienti inquinati, in cui la separazione risulta sicuramente più difficile per possibile contaminazione e degradazione della membrana.

In sintesi, tutte le separazioni citate sono responsabili di un utilizzo massiccio di energia. Migliorandole, per esempio con l’utilizzo di membrane, è possibile ridurre l’impatto ambientale ed energetico delle separazioni. I passi che la ricerca dovrà fare sono molti, speriamo che siano tutti nella giusta direzione.