Resumen de Development of polybenzimidazole and ionic liquid based membranes for high temperature proton exchange membranes (pems) and gas separation applications
1. Membranas de intercambio de protones para su aplicación en pilas de combustible de alta temperatura (HT PEMs) La obtención de membranas de intercambio de protones eficientes y competitivas para su aplicación en pilas de combustible tipo PEM de alta temperatura, continúa siendo uno de los principales cuellos de botella para su implantación masiva. En los últimos años, se han descrito importantes avances en el diseño y preparación de membranas tipo PEM con novedosos esquemas de transporte facilitado de protones.
El objetivo de esta primera parte de la tesis doctoral es desarrollar membranas tipo electrolito con elevada conductividad protónica y que sean capaces de operar de modo prolongado a temperaturas por encima de 120 °C, en condiciones anhidras y en ausencia de ácidos minerales. Nuestra aproximación conceptual se fundamenta en la combinación de polibenzimidazol (PBI), como polímero base de partida, dadas sus propiedades físico-químicas, con líquidos iónicos próticos de la familia imidazol, como fase conductora. Se han preparado dos tipos de microestructuras soporte de PBI siguiendo dos procesos de microfabricación diferentes: membranas microporosas de poro recto y membranas microporosas con estructura jerárquica. Como fase conductora se ha estudiado un líquido iónico polimérico (PIL) por aunar las ventajas intrínsecas de los LIs (baja volatilidad y elevada estabilidad térmica, química y electroquímicas); con las de seguridad derivadas del manejo del electrolito sólido que se obtiene tras su polimerización. En particular, el mónomero de líquido iónico que se ha seleccionado es el bis (trifluorometanosulfonil) imida de 1-H-3-vinilimidazolio, debido a su alta conductividad prótonica, elevada estabilidad térmica y reducida captura de agua.
La arquitectura porosa del soporte-contenedor microporoso de PBI es fundamental de cara a la consecución de las propiedades conductoras y mecánicas deseadas, ya que la membrana electrolito es la resultante de la infiltración-confinamiento del líquido iónico en sus microporos. Por lo tanto, nuestros esfuerzos de investigación se han dirigido principalmente a mejorar tanto el transporte protónico, como la estabilidad dimensional y manejo de las membranas conductoras, modificando la estructura porosa de la matriz de PBI. En particular, el modo de contacto soporte-líquido iónico durante la etapa de infiltración, la adición de agentes de entrecruzamiento y las condiciones de polimerización asistida por luz UV han sido los parámetros estudiados con detalle para los dos tipos de microestructuras de PBI.
2. Membranas de líquido iónico soportadas para la mejora de la caildad del gas natural Actualmente, la mejora de la calidad del gas natural (por eliminación de CO2 y N2) constituye una de las principales aplicaciones de separación de gases con indudable interés industrial donde la tecnología de membranas se postula como alternativa prometedora a pequeña escala.
El objetivo de esta segunda parte de la tesis es desarrollar membranas soportadas de líquidos iónicos (SILMs) para separación de CH4. Una vez más, la hipótesis de trabajo se sustenta en la combinación de una membrana porosa de PBI, como soporte de resistencia térmica y mecánica elevada, con líquidos iónicos próticos (imidazol como catión y trifluorometanosulfonil) imida como anión) como buenos solventes de CH4. Aunque la reducida presión de vapor del LI alivia el problema tradicional en membranes tipo SLIMs; la expulsión del líquido iónico de los poros de la membrana sigue siendo uno de los principales retos tecnológicos. Un diseño adecuado del soporte, con poros sub-micrométricos, combinado con un LI de elevada tensión superficial, podrían conducir a membranas tipo SILM estables para aplicaciones que requieran un gradiente de presión total entre ambos lados de la membrana. Así pues, para esta parte del trabajo el soporte poroso de PBI con estructura de poro aleatorio se obtuvo mediante el método de separación de fases. En particular, se han fabricado y caracterizado tres clases de membranas SILMs basadas en: i) el líquido iónico prótico bis (trifluorometanosulfonil) imida de 1-H-3-metilimidazolio; ii) el líquido iónico monomérico bis (trifluormetanosulfonil) imida de 1-H-3-vinilimidazolio; y, iii) el líquido iónico polimérico poli [1- (3H Imidazolio) etileno] bis (trifluorometanosulfonil) imida. Los resultados de permeación con gases individuales revelan selectividad por el CH4. En general, las membranas resultantes son estables térmicamente y los prometedores valores de selectividad ideal CH4 / N2 alcanzados merecen un estudio más detallado.
