Destilación fraccionada: Cómo se extraen los gases raros del aire

El aire que acaba de respirar contenía aproximadamente un 0,93% de argón, un 0,0005% de neón y un 0,000008% de xenón.

No son meros oligoelementos. Son los habilitadores invisibles de la tecnología moderna, desde los láseres que graban los chips informáticos hasta los agentes de imagen que iluminan los órganos humanos en las exploraciones médicas. Pero su captura requiere uno de los procesos de separación más intensivos en energía de la ingeniería industrial: la destilación fraccionada.

Este artículo explica cómo se extraen los gases raros y por qué son importantes.

1. ¿Qué son los gases raros?

Los gases raros -también llamados gases nobles- ocupan el grupo 18 de la tabla periódica. Son incoloros, inodoros y químicamente inertes en la mayoría de las condiciones. Sus propiedades los hacen inútiles para la química pero indispensables para la física.

Helio (He): El segundo elemento más ligero. Punto de ebullición: -269°C. Se encuentra en los depósitos de gas natural, no en el aire atmosférico. Se utiliza para la refrigeración de resonancias magnéticas, la detección de fugas y como gas portador en cromatografía.

Neón (Ne): Punto de ebullición: -246°C. Concentración en el aire: 18 ppm. Cuando se electrifica, se ilumina en rojo anaranjado. Se utiliza en letreros de neón, indicadores de alto voltaje y láseres de excímeros para litografía de semiconductores.

Argón (Ar): El gas raro más abundante en el aire (0,93%). Punto de ebullición: -186°C. Se utiliza como gas de protección para soldar titanio y aluminio, y como gas de protección en la producción de titanio y silicio.

Criptón (Kr): Punto de ebullición: -153°C. Concentración en el aire: 1 ppm. Se utiliza en ventanas de bajo consumo (rellena el hueco entre cristales), iluminación de alto rendimiento e investigación de la fusión láser.

Xenón (Xe): Punto de ebullición: -108°C. Concentración en el aire: 0,087 ppm. Es el gas raro no radiactivo más pesado. Se utiliza como anestésico, en propulsores iónicos para satélites y en lámparas de flash para fotografía de alta velocidad.

2. Extracción por destilación fraccionada: Cómo funciona

Principio

La destilación fraccionada aprovecha las diferencias en los puntos de ebullición. El aire líquido se calienta lentamente y, a medida que cada componente alcanza su punto de ebullición, se vaporiza y se recoge por separado. El proceso es conceptualmente sencillo pero operativamente complejo.

Proceso paso a paso

Paso 1: Compresión y purificación del aire

El aire atmosférico se comprime a unos 5-10 bares. Se eliminan el vapor de agua, el dióxido de carbono y los hidrocarburos - si se congelan más adelante en el proceso, bloquearán el equipo.

Paso 2: Enfriamiento y licuefacción

El aire comprimido se enfría mediante intercambiadores de calor sucesivos y, a continuación, se expande a través de una válvula (efecto Joule-Thomson) para alcanzar la temperatura de licuefacción. El resultado es aire líquido a unos -192°C.

Paso 3: Destilación en la doble columna

El aire líquido entra en la parte inferior de una columna de destilación de alta presión (que funciona a 5-6 bares). Se separa en nitrógeno (arriba) y líquido rico en oxígeno (abajo). El líquido rico en oxígeno se introduce en una columna de baja presión (1,3 bares) para su posterior separación.

Paso 4: Concentración de criptón y xenón

El criptón y el xenón tienen puntos de ebullición más altos que el oxígeno, por lo que se acumulan en la corriente de oxígeno de la columna de baja presión. Se extrae una corriente lateral rica en criptón y xenón y se envía a una columna de enriquecimiento específica.

Paso 5: Purificación adicional

El concentrado se somete a una conversión catalítica para eliminar los hidrocarburos. Esto es por seguridad, ya que los hidrocarburos con oxígeno líquido pueden explotar. A continuación, se somete a una destilación final para separar el criptón del xenón. Los sistemas modernos alcanzan purezas superiores al 99,9995%.

3. Métodos de extracción alternativos

La destilación criogénica domina la producción industrial, pero existen otros métodos para aplicaciones especializadas.

Adsorción

Las zeolitas y los marcos metalorgánicos (MOF) pueden adsorber selectivamente el xenón y el criptón a temperatura ambiente. El carbón activado, por ejemplo, presenta una absorción de xenón de aproximadamente el 54% en peso a presión atmosférica. El reto es la menor pureza del producto en comparación con la destilación, y la necesidad de presión o de oscilación térmica para regenerar el adsorbente.

Separación por membrana

Las membranas poliméricas pueden separar gases en función del tamaño molecular y la permeabilidad. En el caso de los gases raros, la selectividad es el factor limitante: las membranas que pasan fácilmente el oxígeno también pueden pasar el criptón, lo que dificulta la separación de alta pureza.

Formación de hidratos de gas

A alta presión y baja temperatura, el agua forma jaulas parecidas al hielo que atrapan las moléculas de gas. El xenón forma hidratos más fácilmente que el criptón o el argón, lo que permite una separación selectiva. La investigación muestra un ahorro potencial de energía del 30-35% en comparación con la destilación convencional, pero la tecnología aún está emergiendo.

4. Aplicaciones por gas

Helio

• Imanes de resonancia magnética: el helio líquido enfría los imanes superconductores a 4 Kelvin (-269°C). Un sistema de IRM típico contiene entre 1.500 y 2.000 litros de helio líquido.
• Fabricación de semiconductores: el helio proporciona una atmósfera inerte para el crecimiento de cristales y actúa como gas portador en los procesos de deposición.
• Detección de fugas: el pequeño tamaño molecular del helio lo convierte en el gas trazador estándar para los sistemas de vacío.

Neón

• Láseres de excímeros: el neón forma parte de la mezcla de gases que produce luz ultravioleta profunda para la litografía de semiconductores. Estos láseres graban características medidas en nanómetros.
• Señales de neón: el clásico resplandor naranja-rojo procede de la descarga de neón.
• Refrigeración criogénica: el bajo punto de ebullición del neón lo hace útil en refrigeradores de ciclo cerrado que alcanzan los 30-40 grados Kelvin.

Argón

• Soldadura: el argón protege las soldaduras de titanio, aluminio y acero inoxidable de la contaminación atmosférica.
• Producción de titanio y silicio: Ambos metales reaccionan con el oxígeno y el nitrógeno a alta temperatura. El argón proporciona un manto inerte durante todo el proceso.
• Ventanas de doble acristalamiento: el argón rellena el hueco entre los cristales, reduciendo la transferencia de calor mejor que el aire.

Criptón

• Ventanas energéticamente eficientes: el criptón tiene una conductividad térmica menor que el argón, lo que permite utilizar ventanas más finas con las mismas prestaciones aislantes.
• Iluminación de alta intensidad: las bombillas incandescentes de criptón funcionan a mayor temperatura y con más luz que las de argón.
• Fusión láser: los láseres de fluoruro de criptón son candidatos para la investigación de la fusión por confinamiento inercial.

Xenón

• Anestesia médica: el xenón es un anestésico ideal: rápida aparición, efectos secundarios mínimos y el cuerpo lo elimina sin cambios. El factor limitante es el coste.
• Propulsión de satélites: los propulsores iónicos utilizan xenón porque es pesado, fácil de ionizar y químicamente inerte.
• Imágenes médicas: los isótopos de xenón se utilizan como agentes de contraste para la obtención de imágenes pulmonares por TAC.
• Fabricación de semiconductores: el xenón se utiliza en la implantación de iones y en la litografía UV profunda.

5. Materiales para aplicaciones de gases raros

Las tecnologías que utilizan gases raros suelen requerir materiales especializados, desde los metales que los contienen hasta los componentes que interactúan con ellos. Stanford Advanced Materials (SAM) suministra materiales de gran pureza para estas aplicaciones:

Para la fabricación de semiconductores

• Cátodos para sputtering ( Ti, Ta, Cu, Al) para la deposición de películas finas
• Materiales de evaporación para capas de metalización
• Metales de gran pureza para componentes de cámaras

Para medicina e imagen

• Cristales de centelleo para detectores de radiación
• Metales de gran pureza para componentes de sistemas de imagen
• Sustratos cerámicos para dispositivos médicos

Para iluminación y visualización

• Materiales de fósforo para iluminación especializada
• Materiales de evaporación para revestimientos de pantallas
• Metales de gran pureza para la fabricación de electrodos

Aeroespacial y propulsión

• Metales refractarios (W, Mo, Ta) para aplicaciones de alta temperatura
• Metales de tierras raras para aleaciones especiales
• Compuestos cerámicos para protección térmica

Para investigación y desarrollo

• Elementos de gran pureza en diversas formas (polvos, alambres, láminas, varillas)
• Aleaciones y compuestos para trabajos experimentales
• Nanomateriales para investigación avanzada

Todos los materiales están disponibles con certificación de análisis y trazabilidad completa.

6. PREGUNTAS FRECUENTES: Pureza y manipulación

P: ¿Por qué es importante la pureza en estas aplicaciones?
R: En la fabricación de semiconductores, las trazas de impurezas pueden arruinar lotes enteros de producción. En aplicaciones médicas, la pureza afecta a la seguridad del paciente. En investigación, la reproducibilidad depende de una composición conocida.

P: ¿En qué formas se presentan los materiales?
R: SAM suministra materiales en múltiples formas: polvos, alambres, placas, láminas, varillas, cátodos para sputtering y formas personalizadas en función de los requisitos de la aplicación.

P: ¿Ofrecen especificaciones personalizadas?
R: Sí. Trabajamos con nuestros clientes para satisfacer requisitos específicos de pureza, forma y embalaje, desde pequeñas cantidades para I+D hasta grandes volúmenes de producción.

P: ¿Qué documentación acompaña a los materiales?
R: Cada envío incluye un certificado de análisis. La trazabilidad específica de cada lote se mantiene para las auditorías de calidad y el cumplimiento de la normativa.

Acerca de Stanford Advanced Materials (SAM)

Stanford Advanced Materials (SAM) suministra más de 10.000 materiales avanzados a las industrias aeroespacial, médica, de semiconductores y de investigación de todo el mundo. Fundada en 1994 y con sede en Santa Ana, California, ofrecemos metales, aleaciones, cerámicas, cátodos para sputtering y materiales de tierras raras de gran pureza en diversas formas, desde cantidades para I+D hasta producción a gran escala. Con almacenes en EE.UU., Canadá, Europa y Asia-Pacífico, realizamos entregas fiables en cualquier lugar.

Referencias

Häussinger, P., Glatthaar, R., Rhode, W., et al. (2001). Noble Gases. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH.

Kerry, F.G. (2007). Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification. CRC Press.

Smith, A.R., & Klosek, J. (2001). A review of air separation technologies and their integration with energy conversion processes. Fuel Processing Technology, 70(2), 115-134.

Thallam Thattai, A., et al. (2016). Investigación experimental de la formación de hidratos de gas para la recuperación de xenón. Revista de ingeniería química, 302, 74-82.

Banerjee, R., et al. (2008). Metal-organic frameworks for xenon and krypton separation. Science, 319(5865), 939-943.

Baker, R.W. (2002). Future directions of membrane gas separation technology. Industrial & Engineering Chemistry Research, 41(6), 1393-1411.

Servicio Geológico de Estados Unidos. (2023). Mineral Commodity Summaries: Helium, Argon, Neon, Krypton, Xenon.