En el campo de la tecnología de separación por membranas, en constante evolución, 2024 fue un año clave. La Conferencia Nacional de Premios de Ciencia y Tecnología, celebrada en junio, reconoció tres proyectos pioneros en este ámbito, demostrando la creciente influencia de China en la ingeniería ambiental y la gestión de recursos:
La tecnología clave y la aplicación del nuevo tratamiento de agua por membrana ganaron el prestigioso Primer Premio por sus avances en la tecnología de tratamiento de agua.
La creación y aplicación de materiales de membrana para purificación de gases obtuvo el segundo premio, destacando las innovaciones en la purificación del aire.
El proyecto Creación y Aplicación de un Sistema de Tecnología para la Garantía de la Seguridad del Agua Potable, un proyecto multifacético que utiliza diversas tecnologías de membranas, también obtuvo el Primer Premio.
Esta es la primera vez que la separación por membranas recibe tres Premios Nacionales al Progreso en Ciencia y Tecnología en un solo año, lo que demuestra la creciente experiencia técnica de China. Estos galardones reflejan la creciente importancia de la separación por membranas en la sostenibilidad ambiental, la recuperación de recursos y los procesos industriales.
¿Qué hace que la separación por membrana sea tan poderosa?
En comparación con los métodos de separación tradicionales, la separación por membrana ofrece varias ventajas importantes:
Eficiencia energética: La mayoría de los procesos ocurren a temperatura ambiente, requiriendo un mínimo de energía ya que no es necesario ningún cambio de fase (excepto en casos como la destilación).
Simplicidad y escalabilidad: Permite la concentración, purificación y separación en un solo paso y se puede escalar fácilmente para operaciones tanto a pequeña como a gran escala.
Beneficios ambientales: Es una solución libre de químicos, adaptable y de bajo costo para numerosas industrias.
Estas características han propiciado su amplia aplicación en diversas industrias, desde la separación de sustancias hasta la detección, la liberación controlada y el control de reacciones. Dado su inmenso potencial, el gobierno chino ha priorizado desde hace tiempo la separación por membranas. Durante el XIII Plan Quinquenal, 23 documentos de política destacaron su importancia, y las nuevas políticas del XIV Plan Quinquenal continúan impulsando su avance.
Separación por membranas en el tratamiento del agua: transformando la industria
El tratamiento de agua sigue siendo el campo más grande y maduro para la separación por membranas, siendo la desalinización y la purificación de agua potable sus aplicaciones más destacadas. Este predominio explica por qué las membranas de ósmosis inversa representan la mayor cuota de mercado en China y a nivel mundial.
Un proyecto destacado de los premios de este año, Tecnología Clave y Aplicación de Nuevas Membranas para el Tratamiento de Agua, incluye importantes avances en membranas de separación de agua ultrapura —cruciales en la fabricación de semiconductores— e innovaciones en el tratamiento de aguas contaminadas con energía nuclear. La exitosa localización de estas membranas avanzadas, anteriormente dominadas por empresas extranjeras, marca un gran avance para el sector tecnológico chino.
Por ejemplo, empresas chinas como Wharton Technology Co., Ltd. han desarrollado sus propias membranas de agua ultrapura, la serie UE, que ahora se utilizan en numerosos proyectos de microelectrónica de alta tecnología. Para impulsar aún más este crecimiento, la Asociación de la Industria de Membranas de China introdujo varias normas de grupo en 2023, entre ellas:
Requisitos técnicos para componentes de membranas de ultrafiltración para agua ultrapura en la industria de semiconductores (T/ZGM 011-2023),
Normas para membranas de ósmosis inversa en espiral (T/ZGM 012-2023),
Pilas de membranas de electrodesionización (T/ZGM 013-2023).
Estas normas ayudan a las empresas nacionales a cumplir con los puntos de referencia mundiales, impulsar la innovación de productos y promover el desarrollo de alta calidad de la industria de membranas de China.
Tratamiento de aguas residuales: convertir la contaminación en recursos
La tecnología de separación por membranas también está revolucionando el tratamiento de aguas residuales y cloacales. Con regulaciones ambientales más estrictas en China, las industrias se enfrentan a una enorme presión para tratar las aguas residuales de forma eficaz y económica. El dilema tradicional de equilibrar los costos de tratamiento y la responsabilidad ambiental ha impulsado a muchas empresas a recurrir a prácticas de vertido ilícitas para reducir la carga financiera.
Sin embargo, cuando se aplica eficazmente, la separación por membranas puede convertir el tratamiento de aguas residuales no solo en una necesidad ambiental, sino en una empresa rentable. Tomemos como ejemplo el proyecto "Tecnología de preparación e integración de membranas para cero emisiones de aguas residuales de pulpa", dirigido por el profesor Xing Weihong bajo la dirección de Xu Nanping, miembro de la Academia China de Ingeniería. Este proyecto construyó la primera demostración del mundo de cero emisiones para aguas residuales de pulpa, capaz de procesar 40,000 toneladas al día. Revitalizó el proyecto de fabricación de papel Nantong Prince, que estaba al borde del colapso, generando una recuperación de 10 millones de yuanes.
Un éxito más reciente es el parque de productos químicos finos en el Parque Industrial Pingluo de Ningxia. Históricamente afectado por la contaminación, el parque enfrentaba serias restricciones debido a su incapacidad para equilibrar la demanda de agua y el vertido de residuos. En respuesta, entre 2022 y 2023 se puso en marcha el primer proyecto de vertido cero de China para el tratamiento de aguas residuales en un parque de productos químicos finos. El proyecto, implementado por Meifeng Environment, empleó una separación avanzada por membranas para lograr la reutilización total de las aguas residuales sin vertido externo. El proceso convierte la salmuera en sales de grado industrial, que se reutilizan en la producción, lo que reduce significativamente los costes de eliminación de residuos.
El sistema de membranas empleado en este proyecto cuenta con una tasa de recuperación del 98.6 %, lo que reduce los residuos salinos impuros en un 95 % en comparación con los métodos tradicionales. Este avance permite al parque tratar 10 000 toneladas de aguas residuales al día, cubriendo así sus necesidades de producción y reutilizando el agua para paisajismo y servicios públicos urbanos.
Purificación y separación de gases: la innovación se une a la eficiencia
Más allá del tratamiento de agua, la tecnología de separación por membranas está logrando avances significativos en la purificación de gases, un área crucial para las industrias que enfrentan problemas de calidad del aire y emisiones. Métodos tradicionales como sistemas de eliminación de polvo con bolsas, ciclones y electrostáticos se han utilizado durante mucho tiempo para gestionar el polvo, mientras que las técnicas de adsorción, condensación, combustión y absorción química se emplean para controlar los compuestos orgánicos volátiles (COV). Sin embargo, estas tecnologías convencionales tienen dificultades para gestionar eficazmente el polvo ultrafino y los gases residuales industriales complejos, especialmente cuando se requiere una alta recuperación de recursos. En cambio, la tecnología de separación por membranas destaca como una alternativa energéticamente eficiente y de alto rendimiento, capaz de cumplir con las normas de emisiones y, al mismo tiempo, permitir la recuperación de valiosos recursos.
Un excelente ejemplo de ello es el galardonado proyecto "Creación y Aplicación de Materiales de Membrana para la Purificación de Gases", dirigido por el equipo del profesor Jin Wanqin, del Laboratorio Estatal Clave de Ingeniería Química de Materiales de la Universidad Tecnológica de Nanjing. Sus innovaciones revolucionarias en materiales de membrana han establecido un nuevo estándar para la eliminación de polvo ultrafino (a niveles submicrónicos) y compuestos orgánicos de los gases de combustión industriales, a la vez que recuperan polvos y disolventes de alto valor añadido.
Rompiendo barreras en la purificación de gases con tecnología de membrana
El equipo del profesor Jin desarrolló un novedoso método de diseño para membranas de separación gas-sólido, estableciendo una relación entre el rendimiento estructural de la membrana y los parámetros de control. Las membranas de purificación de gases que crearon superan los estándares internacionales, con una permeabilidad al aire un 30 % superior y una resistencia mecánica un 198 % superior. Estas membranas pueden eliminar el 99.99 % del polvo ultrafino de 0.3 micras, superando con creces los estándares globales.
Un desafío clave en la purificación de gases industriales es la contaminación por aerosoles aceitosos, que puede crear capas de contaminación en los materiales de filtro tradicionales, degradando su rendimiento con el tiempo. Para abordar esto, el equipo introdujo un método de funcionalización in situ asistido por calor para que las membranas sean tanto hidrofóbicas como oleofóbicas. Esta innovación permite un control preciso de la adhesión y la humectabilidad de la membrana, lo que da como resultado una membrana de doble repelencia que resiste la contaminación y ofrece una mayor vida útil.
Aplicaciones en el mundo real e impacto económico
Las membranas de purificación de gases desarrolladas por el equipo del profesor Jin se utilizan ampliamente en diversas industrias. Más de 200 proyectos, incluyendo los de importantes empresas como Sinopec, Hengyi Petrochemical y Jiangsu Huachang Chemical, han adoptado esta tecnología. Estos proyectos abarcan 25 provincias y regiones autónomas de China, contribuyendo significativamente al tratamiento de gases residuales industriales. Las membranas son especialmente eficaces para tratar gases con cloro y humos cargados de petróleo, áreas donde las tecnologías tradicionales suelen ser insuficientes.
Hasta la fecha, esta tecnología de membranas ha procesado más de 300 mil millones de metros cúbicos de gas industrial, recuperando polvos de alto valor añadido y disolventes orgánicos por un valor superior a los mil millones de yuanes. Los beneficios económicos y ambientales han sido sustanciales, lo que demuestra que la tecnología de membranas no solo puede limpiar las emisiones industriales, sino también convertir los residuos en riqueza.
Cómo funcionan las membranas de separación de gases
Las membranas de separación de gases funcionan según un principio simple: la diferencia de presión parcial a ambos lados de la membrana impulsa la separación de los componentes del gas. Diferentes moléculas de gas permean la membrana a velocidades variables. Las moléculas más rápidas se acumulan en el lado de permeación, mientras que las más lentas permanecen en el lado de alimentación, lo que permite la separación de gases mixtos.
En comparación con los métodos tradicionales como la criogenia, la adsorción por oscilación de presión y la adsorción química, la tecnología de membrana ofrece una variedad de ventajas:
Funcionamiento a temperatura ambiente: No necesita temperaturas extremas, lo que lo hace más eficiente energéticamente.
Simplicidad y modularidad: el equipo es sencillo y se puede ampliar o adaptar fácilmente a diversas necesidades de separación de gases.
Alta eficiencia: es capaz de manejar una amplia variedad de gases con una precisión de separación impresionante.
Esta versátil tecnología se ha aplicado con éxito en diversas industrias. Por ejemplo, se utiliza en la recuperación de hidrógeno en la industria de síntesis de amoníaco, el tratamiento de gases de cola en procesos petroquímicos y en sistemas de enriquecimiento de oxígeno y nitrógeno. Estas implementaciones reales han demostrado la viabilidad práctica y económica de la separación por membranas para la purificación de gases.
Helio: el “gas dorado” que impulsa las industrias de alta tecnología y la carrera de China por la autosuficiencia
El helio, a menudo llamado el "gas dorado", desempeña un papel crucial en una amplia gama de industrias, desde aplicaciones militares y procesos petroquímicos hasta tecnologías médicas, fabricación de semiconductores y buceo en aguas profundas. Es un elemento esencial en experimentos superconductores y refrigeración criogénica, lo que lo convierte en un recurso escaso y estratégico, crucial para las industrias globales de alta tecnología.
China, a pesar de su enorme escala industrial, se enfrenta a una escasez de helio, ya que más del 95 % de su suministro depende de las importaciones. Se estima que el país posee 1.1 millones de metros cúbicos de helio, pero solo unos 50 millones de metros cúbicos son extraíbles, lo que representa apenas el 0.1 % de las reservas mundiales. Esta fuerte dependencia de las importaciones extranjeras ha impulsado la investigación urgente de tecnologías que puedan aprovechar el helio de baja concentración presente en el gas natural (con un contenido de helio de tan solo el 0.1-0.3 %) y reducir drásticamente los costos. Si estos recursos se aprovechan eficientemente, China podría satisfacer más del 40 % de su demanda interna de helio.
Los desafíos y las soluciones en la extracción de helio
Los métodos tradicionales de extracción de helio, en particular la destilación criogénica, ofrecen la ventaja de producir helio de alta pureza, pero presentan importantes inconvenientes. Los altos costos de producción, la cuantiosa inversión en equipos y el enorme consumo energético limitan la escalabilidad y la eficiencia de los métodos criogénicos. Para superar estos desafíos, los investigadores se han centrado en combinar la tecnología de separación por membranas con la destilación criogénica y la adsorción por oscilación de presión (PSA). Este enfoque híbrido reduce significativamente el consumo de energía y los costos de los equipos, a la vez que mantiene la capacidad de extraer helio de alta pureza. Como resultado, se ha convertido en un área clave de investigación y ya se ha aplicado con éxito en varios proyectos en China.
Avances en la producción nacional de helio
En noviembre de 2022, Sinopec logró un gran avance al poner en marcha el primer proyecto de purificación de helio en el suroeste de China, ubicado en la planta de GNL Fuling, operada por Sinopec Chongqing Petroleum Branch. Cabe destacar que la membrana de purificación de helio utilizada en este proyecto se desarrolló íntegramente en China, lo que representa un logro significativo al superar las barreras tecnológicas que antes dominaban Estados Unidos y Japón en el campo de las membranas de separación de helio basadas en polímeros. Este hito representa un paso importante para reducir la dependencia de China de fuentes extranjeras de helio.
Otro gran avance se produjo gracias al trabajo del Instituto de Investigación del Carbón de China, que colaboró con el Grupo de Carbón y Electricidad Yaojie para desarrollar un proceso integrado de extracción de helio del metano de carbón. Este proceso, que combina la adsorción por oscilación de presión, la separación por membranas y el refinado, logró avances tecnológicos clave en la extracción de helio. El equipo superó con éxito los desafíos de la descarbonización y la concentración de helio en el metano de carbón multicomponente, alcanzando niveles de pureza de helio superiores al 99.9999 %. En 2023, se puso en funcionamiento la primera planta de extracción de helio de alta pureza del mundo para metano de carbón, con una capacidad de 36 000 metros cúbicos al día, lo que demuestra una vez más que China domina a la perfección el proceso completo de extracción de helio del metano de carbón.
Aplicaciones innovadoras de la tecnología de membranas en la extracción de helio
A principios de 2023, el Instituto de Investigación de Tecnología de Ingeniería de China logró otro hito tecnológico al aplicar su sistema de separación y purificación de hidrógeno y helio a un proyecto de extracción de helio con gas flash (BOG) de gas natural en Luliang, Shanxi. El sistema, que integra tecnología de vanguardia para la extracción de helio con BOG mediante adsorción por oscilación de presión, separación por membranas y deshidrogenación por adsorción, estableció un nuevo estándar en la extracción de helio. Este innovador sistema no solo separa y purifica helio con una pureza superior al 99.999 %, sino que también produce hidrógeno de alta pureza, con niveles de pureza similares.
Este nuevo enfoque permite la separación, refinación y purificación aproximadas del helio a temperatura ambiente, ofreciendo eficiencia y flexibilidad. El proyecto demostró con éxito la estabilidad operativa a largo plazo a baja temperatura, lo que demuestra que estas tecnologías no solo son viables, sino también escalables para su uso industrial.
El futuro de la extracción de helio en China
A medida que China avanza hacia una mayor independencia en el abastecimiento de materiales estratégicos, los avances en la tecnología de separación por membranas para la extracción de helio desempeñarán un papel fundamental. Al integrar los sistemas de membranas con otros métodos avanzados, como la destilación criogénica y la adsorción por oscilación de presión, China ya ha comenzado a dar pasos significativos hacia la reducción de su dependencia de las importaciones. Estas tecnologías tienen el potencial de transformar la cadena de suministro de helio de China, permitiéndole aprovechar sus propias reservas de gas natural para satisfacer una parte sustancial de sus necesidades nacionales de helio.
En una era donde el helio se vuelve cada vez más esencial para industrias de vanguardia, como la aeroespacial, la computación cuántica e incluso las energías limpias, el progreso de China en la extracción de helio representa un paso significativo no solo para su propia estrategia industrial, sino también para el panorama global de la alta tecnología. A medida que la demanda de este "gas dorado" continúa en aumento, la combinación de innovación nacional, técnicas avanzadas de extracción y visión estratégica podría posicionar a China como un futuro líder en el mercado mundial del helio.
