Polímeros a la búsqueda del filtro mágico

¿Cuándo se incorporó a la EPFL? ¿Puede contarnos más acerca de su equipo y su investigación actual?

He sido profesor en la EPFL desde 2016, cuando tomé las riendas del LSA. Este laboratorio forma parte del Instituto de Ciencias Químicas e Ingeniería (ISIC) de la Facultad de Ciencias Básicas (FSB). El grupo es notablemente diverso e incluye a científicos, químicos e ingenieros mecánicos especialistas en materiales de todo el mundo. Están representadas cerca de diez nacionalidades. Mi grupo de investigación se centra en la química e ingeniería de los materiales a escala de ángstroms (10-10 m) con vistas a diseñar membranas con una eficacia muy alta capaces de filtrar elementos a escala molecular tales como el CO2. Esta es una manera de reducir las emisiones de dióxido de carbono, puesto que el gas puede ser capturado en la fase poscombustión (en las chimeneas) antes de que entre en la atmósfera. A continuación, el CO2 capturado puede reciclarse o bien almacenarse en forma líquida o gaseosa para ser utilizado posteriormente en otras aplicaciones. Este proceso se conoce como secuestro.

Estamos buscando soluciones que sean atractivas desde el punto de vista económico para ponerlas a disposición de cualquier empresa que emita gases de efecto invernadero. Por este motivo hemos centrado en nuestra investigación en los nanoporos y las membranas bidimensionales. El término nanoporo alude a la capacidad de filtrar elementos del tamaño de un nanómetro, y bidimensional hace referencia a un grosor del orden de un nanómetro. Queremos crear membranas que acepten caudales elevados y que solo permitan el paso de determinadas moléculas gaseosas. Estas membranas son respetuosas con el medioambiente, su proceso de fabricación no genera residuos y actualmente están consideradas una de las soluciones para la reducción de las emisiones de dióxido de carbono más eficientes energéticamente. ¡Aspiramos a lograr el filtro molecular perfecto!

Parece que lo han logrado, ya que han desarrollado una nueva clase de membranas de alto rendimiento para la captura de carbono. ¿Cómo funcionan?

Nuestras membranas están basadas en filtros hechos de grafeno (un material cuyo descubrimiento mereció un Premio Nobel) y un polímero. Hemos conseguido perforar el grafeno con tal precisión que actualmente solo permite el paso de las moléculas de dióxido de carbono (CO2) pero no, por ejemplo, el de las moléculas de nitrógeno (N2). De este modo, al exponer el filtro a una mezcla de CO2 y N2, este solo capturará el CO2, de modo que podremos recuperar la molécula libre de impurezas.

¿Qué función desempeñan los polímeros en esta membrana?

Son cruciales. Hemos utilizado una película polimérica con afinidad para el CO2. Su función consiste en aumentar la concentración de CO2 y guiarlo a través de los huecos del grafeno. Hemos desarrollado un proceso mediante el cual laminamos esta película polimérica sobre el grafeno, de modo que es posible producir una membrana del grosor de un nanómetro con una gran área superficial sin que se formen grietas ni desgarros.

Por lo tanto, somos capaces de producir membranas que satisfacen todas las demandas de la industria. 

¿En qué sentido es superior a las membranas existentes?

En primer lugar, hemos logrado obtener caudales excelentes. Esto significa que podemos filtrar un flujo de CO2 significativo. En la jerga científica, hablamos de permeabilidad. Es decir, la capacidad de una pared de permitir el paso del vapor de agua a su través. El vapor de agua debe considerarse como un patrón de referencia. A mayor permeabilidad, menor superficie de membrana necesaria. En consecuencia, el coste de inversión para las industrias interesadas será inferior.

Entonces, ¿cuándo podremos encontrar estas membranas en el mercado?

Calculamos que el periodo para la comercialización será de entre 2 y 3 años. Actualmente estamos construyendo un demostrador a escala piloto para capturar el CO2 procedente de diferentes fuentes (gases de combustión, biogases, etc.). Estimamos que el demostrador estará operativo a finales de 2020 y debería satisfacer las expectativas del mercado. Ya estamos trabajando con varios colaboradores industriales, entre ellos, Gaznat, Shell y pymes locales suizas especializadas en la incineración de residuos y biogases.

Historial académico de Kumar Varoon Agrawal

• Nacido en la India.
•  Título de Grado en Ingeniería Química en IIT, Bombay, en 2005.
• Hasta 2008, División de Investigación y Desarrollo Global en Procter & Gamble, en Japón.
• Doctor en Ingeniería Química en la Universidad de Minnesota (Estados Unidos) en el grupo del profesor Michael Tsapatsis. Tesis sobre el aislamiento de nanoláminas bidimensionales de zeolita de alta cristalinidad.
• 2014, investigador posdoctoral en el grupo Strano del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). Estudio del efecto del nanoconfinamiento durante las fases de transición de fluidos.
• Ganador del premio FRI/John G. Kunesh de la División de Separaciones del Instituto Norteamericano de Ingenieros Químicos (AIChE), el premio Young Membrane Scientist de la Sociedad Norteamericana de Membranas, la beca Starting del Consejo Europeo de Investigación (ERC), la beca Assistant Professor Energy de la Fundación Nacional para la Ciencia de Suiza, entre otros.