Un estudio sugiere una ruta energéticamente eficiente para capturar y convertir CO2

Bruno I. Scollo

En la carrera por reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en todo el mundo, los científicos del MIT están buscando tecnologías de captura de carbono para descarbonizar a los emisores industriales más obstinados.

La fabricación de acero, cemento y productos químicos son industrias especialmente difíciles de descarbonizar, ya que el carbono y los combustibles fósiles son ingredientes inherentes a su producción. Las tecnologías que puedan capturar las emisiones de carbono y convertirlas en formas que retroalimenten el proceso de producción podrían ayudar a reducir las emisiones generales de estos sectores “difíciles de reducir”.

Pero hasta ahora, las tecnologías experimentales que capturan y convierten el dióxido de carbono lo hacen como dos procesos separados, que a su vez requieren una enorme cantidad de energía para funcionar. El equipo del MIT busca combinar los dos procesos en un sistema integrado y mucho más eficiente desde el punto de vista energético que potencialmente podría funcionar con energía renovable para capturar y convertir dióxido de carbono de fuentes industriales concentradas.

En un estudio que aparece hoy en ACS Catalysis , los investigadores revelan el funcionamiento oculto de cómo el dióxido de carbono puede capturarse y convertirse mediante un único proceso electroquímico. El proceso implica el uso de un electrodo para atraer el dióxido de carbono liberado por un sorbente y convertirlo en una forma reducida y reutilizable.

Otros han informado de demostraciones similares, pero los mecanismos que impulsan la reacción electroquímica siguen sin estar claros. El equipo del MIT llevó a cabo extensos experimentos para determinar ese factor y descubrió que, al final, se debía a la presión parcial del dióxido de carbono. En otras palabras, cuanto más dióxido de carbono puro entre en contacto con el electrodo, más eficientemente éste podrá capturar y convertir la molécula.

El conocimiento de este impulsor principal, o "especies activas", puede ayudar a los científicos a ajustar y optimizar sistemas electroquímicos similares para capturar y convertir eficientemente el dióxido de carbono en un proceso integrado.

Los resultados del estudio implican que, si bien estos sistemas electroquímicos probablemente no funcionarían en ambientes muy diluidos (por ejemplo, para capturar y convertir emisiones de carbono directamente del aire), serían bien adecuados para las emisiones altamente concentradas generadas por procesos industriales. particularmente aquellos que no tienen una alternativa renovable obvia.

“Podemos y debemos pasar a las energías renovables para la producción de electricidad. Pero descarbonizar profundamente industrias como la producción de cemento o acero es un desafío y llevará más tiempo”, dice el autor del estudio Betar Gallant, profesor asociado de desarrollo profesional de la promoción de 1922 en el MIT. “Incluso si nos deshacemos de todas nuestras centrales eléctricas, necesitamos algunas soluciones para abordar las emisiones de otras industrias en el corto plazo, antes de que podamos descarbonizarlas por completo. Ahí es donde vemos un punto óptimo, donde algo como este sistema podría encajar”.

Los coautores del estudio del MIT son el autor principal y postdoctorado Graham Leverick y la estudiante de posgrado Elizabeth Bernhardt, junto con Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman y Mohamed Kheireddine Aroua de la Universidad Sunway en Malasia.

Rompiendo lazos

Las tecnologías de captura de carbono están diseñadas para capturar emisiones, o “gases de combustión”, de las chimeneas de las centrales eléctricas y las instalaciones de fabricación. Esto se hace principalmente mediante grandes adaptaciones para canalizar las emisiones hacia cámaras llenas con una solución de “captura”, una mezcla de aminas o compuestos a base de amoníaco, que se unen químicamente con el dióxido de carbono, produciendo una forma estable que se puede separar del resto. de los gases de combustión.

Luego se aplican altas temperaturas, generalmente en forma de vapor generado por combustibles fósiles, para liberar el dióxido de carbono capturado de su enlace amina. En su forma pura, el gas puede luego bombearse a tanques de almacenamiento o al subsuelo, mineralizarse o convertirse en productos químicos o combustibles.

"La captura de carbono es una tecnología madura, ya que su química se conoce desde hace unos 100 años, pero requiere instalaciones realmente grandes y su funcionamiento es bastante caro y consume mucha energía", señala Gallant. “Lo que queremos son tecnologías que sean más modulares y flexibles y que puedan adaptarse a fuentes más diversas de dióxido de carbono. Los sistemas electroquímicos pueden ayudar a solucionar este problema”.

Su grupo en el MIT está desarrollando un sistema electroquímico que recupera el dióxido de carbono capturado y lo convierte en un producto reducido y utilizable. Un sistema integrado de este tipo, en lugar de uno desacoplado, afirma, podría funcionar enteramente con electricidad renovable en lugar de vapor derivado de combustibles fósiles.

Su concepto se centra en un electrodo que encajaría en cámaras existentes de soluciones de captura de carbono. Cuando se aplica un voltaje al electrodo, los electrones fluyen hacia la forma reactiva de dióxido de carbono y lo convierten en un producto utilizando protones suministrados por el agua. Esto hace que el sorbente esté disponible para unir más dióxido de carbono, en lugar de utilizar vapor para hacer lo mismo.

Gallant demostró previamente que este proceso electroquímico podría funcionar para capturar y convertir dióxido de carbono en una forma de carbonato sólido .

"Demostramos que este proceso electroquímico era factible desde conceptos muy tempranos", dice. “Desde entonces, se han realizado otros estudios centrados en utilizar este proceso para intentar producir productos químicos y combustibles útiles. Pero ha habido explicaciones inconsistentes sobre cómo funcionan estas reacciones, en secreto”.

Solo CO2

En el nuevo estudio, el equipo del MIT utilizó una lupa bajo el capó para descubrir las reacciones específicas que impulsan el proceso electroquímico. En el laboratorio, generaron soluciones de aminas que se asemejan a las soluciones de captura industriales utilizadas para extraer dióxido de carbono de los gases de combustión. Alteraron metódicamente varias propiedades de cada solución, como el pH, la concentración y el tipo de amina, luego hicieron pasar cada solución por un electrodo hecho de plata, un metal ampliamente utilizado en estudios de electrólisis y conocido por convertir eficientemente el dióxido de carbono en carbono. monóxido. Luego midieron la concentración de monóxido de carbono que se convirtió al final de la reacción y compararon este número con el de todas las demás soluciones que probaron, para ver qué parámetro tenía la mayor influencia en la cantidad de monóxido de carbono que se producía.

Al final, descubrieron que lo que más importaba no era el tipo de amina utilizada para capturar inicialmente el dióxido de carbono, como muchos sospechaban. Más bien, fue la concentración de moléculas solitarias de dióxido de carbono que flotaban libremente, las que evitaban la unión con las aminas pero que, no obstante, estaban presentes en la solución. Este “solo-CO2” determinó la concentración de monóxido de carbono que finalmente se produjo.

"Descubrimos que es más fácil hacer reaccionar este CO2 'solo', en comparación con el CO2 capturado por la amina", comenta Leverick. "Esto les dice a los futuros investigadores que este proceso podría ser factible para corrientes industriales, donde altas concentraciones de dióxido de carbono podrían capturarse y convertirse de manera eficiente en productos químicos y combustibles útiles".

"Esta no es una tecnología de eliminación y es importante dejarlo claro", subraya Gallant. “El valor que aporta es que nos permite reciclar el dióxido de carbono varias veces manteniendo los procesos industriales existentes, con menos emisiones asociadas. En última instancia, mi sueño es que los sistemas electroquímicos puedan usarse para facilitar la mineralización y el almacenamiento permanente de CO2, una verdadera tecnología de eliminación. Ésa es una visión a más largo plazo. Y gran parte de la ciencia que estamos empezando a comprender es un primer paso hacia el diseño de esos procesos”.

Fuentes: https://news.mit.edu/2023/study-suggests-energy-efficient-route-capturing-and-converting-co2-0906