Spazzole polimeriche per purificare gas naturale e biogas dall’anidride carbonica

Francesco M. Benedetti, assegnista di ricerca dell’Università di Bologna, tra gli autori dello studio

Un gruppo internazionale di ricercatori dell’Università di Bologna, del MIT di Boston (USA) e dell’Accademia Cinese delle Scienze ha ideato un nuovo materiale per purificare il gas naturale e il biogas in modo rapido, ecologico ed efficiente, permettendo così di contenere le emissioni di anidride carbonica nell’atmosfera.

Lo studio – i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Materials – ha permesso di mettere a punto una membrana, utilizzabile come filtro, costituita da una struttura molecolare innovativa, capace di essere flessibile, resistente e stabile allo stesso tempo: il nuovo materiale permette di realizzare una tecnologia completamente sostenibile dal punto di vista ambientale.

PURIFICARE IL GAS NATURALE
Il gas naturale e il biogas – più puliti ed efficienti di carbone e petrolio – sono sempre più richiesti nel mercato dell’energia. Prima di poter essere utilizzati come combustibile, questi gas devono però essere sottoposti ad un’operazione di purificazione per eliminare la notevole quantità di anidride carbonica che contengono nel loro stato naturale. Il problema è che questa operazione si rivela particolarmente costosa sia dal punto di vista energetico che da quello ambientale, perché tradizionalmente viene realizzata utilizzando solventi tossici.

Gli scienziati sono al lavoro da tempo con l’obiettivo di realizzare membrane capaci di superare questi ostacoli, rimuovendo in modo efficiente ed ecologico le impurità presenti nel gas naturale. Fino ad oggi, però, le soluzioni individuate non si sono rivelate abbastanza efficaci da poter rimpiazzare le tecnologie attualmente utilizzate.

Questo scenario è destinato ora a cambiare grazie al nuovo materiale messo a punto da una collaborazione tra gruppi di ricerca dell’Università di Bologna, del MIT di Boston (USA) e dell’Accademia Cinese delle Scienze. La membrana polimerica che hanno individuato, infatti, permette di aumentare notevolmente l’efficienza del processo di purificazione del gas naturale, riducendo al tempo stesso l’impatto ambientale.

SPAZZOLE POLIMERICHE
Come sono riusciti i ricercatori ad arrivare a questo risultato? Il segreto sta nella particolare struttura molecolare individuata, molto differente da quella dei filtri utilizzati fino ad oggi. “Le membrane attualmente in uso sono caratterizzate da una struttura molecolare allungata, a forma di corda o di spaghetto”, spiega Maria Grazia De Angelis, docente dell’Università di Bologna che ha partecipato allo studio. “Modificando lo spazio tra queste molecole si crea una struttura attraverso cui il gas può passare”. Questa composizione ha però un limite: non permette all’anidride carbonica di fluire in modo abbastanza rapido da poter competere con altri metodi di purificazione, più inquinanti ma anche più efficienti.

I ricercatori hanno allora ideato una nuova struttura molecolare. “Le nuove membrane che abbiamo progettato – continua De Angelis – non presentano più lunghe catene polimeriche, ma sono composte da molecole che funzionano come spazzole con sottilissime setole selettive che consentono di purificare il gas con precisione nanometrica. Queste spazzole, inoltre, hanno un’anima centrale resistente e flessibile che rende il materiale più stabile”.


Il nuovo materiale è formato da molecole che funzionano come spazzole, con un'anima centrale resistente e flessibile

STABILITÀ, SOSTENIBILITÀ, FLESSIBILITÀ
I primi esperimenti realizzati confermano le alte prestazioni della nuova membrana, che è risultata tra 2.000 e 7.000 volte più permeabile di quelle tradizionali e capace di sostenere una pressione di anidride carbonica fino a 51 bar contro i 34 bar a cui arrivano i migliori materiali commerciali. “Abbiamo osservato una stabilità mai riscontrata prima che consente a questo materiale di resistere anche in ambienti particolarmente aggressivi, come quelli che si hanno nel gas naturale”, conferma Francesco M. Benedetti, assegnista di ricerca dell’Università di Bologna, tra gli autori dello studio.

E oltre ad essere stabile ed efficiente, il nuovo materiale ha anche altre due qualità notevoli. La prima è che rappresenta una tecnologia completamente sostenibile, che non necessita dell’utilizzo di solventi tossici. La seconda è che la membrana è anche particolarmente flessibile, in grado di essere adattata per diversi utilizzi. “Effettuando piccoli cambiamenti nella composizione molecolare delle spazzole – dice ancora Benedetti – è possibile modificare le prestazioni del materiale: una caratteristica molto importante perché permette di adattare la tecnologia a molte funzioni diverse”.

Il lavoro del gruppo di ricerca, infatti, continua. I ricercatori stanno ora progettando uno studio sistematico della natura chimica e della struttura del nuovo materiale, per migliorare ulteriormente la sua straordinaria efficienza. Stanno inoltre pensando a come applicare queste capacità in altri contesti, ad esempio per la purificazione di liquidi, ma anche per la cattura e lo stoccaggio dell’anidride carbonica da fonti diverse rispetto al gas naturale.

I PROTAGONISTI DELLO STUDIO
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Advanced Materials con il titolo “Polymers with Side Chain Porosity for Ultrapermeable and Plasticization Resistant Materials for Gas Separations”.

Per l’Università di Bologna hanno partecipato la professoressa Maria Grazia De Angelis e l’assegnista di ricerca Francesco M. Benedetti, entrambi attivi al Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali. Hanno inoltre partecipato ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (USA) e della Chinese Academy of Sciences (Cina).