Una nueva forma de eliminar el dióxido de carbono de una corriente de aire podría proporcionar una herramienta importante en la batalla contra el cambio climático. El nuevo sistema puede funcionar con el gas en prácticamente cualquier nivel de concentración, incluso hasta las aproximadamente 400 partes por millón que se encuentran actualmente en la atmósfera.

La mayoría de los métodos para eliminar el dióxido de carbono de una corriente de gas requieren concentraciones más altas, como las que se encuentran en las emisiones de humos de las plantas de energía a base de combustibles fósiles. Se han desarrollado algunas variaciones que pueden funcionar con las bajas concentraciones encontradas en el aire, pero el nuevo método es significativamente menos intensivo en energía y costoso, dicen los investigadores.

La técnica, basada en pasar aire a través de una pila de placas electroquímicas cargadas, se describe en un nuevo artículo en la revista Ciencias Energéticas y Ambientales, por el postdoc MIT Sahag Voskian, quien desarrolló el trabajo durante su doctorado, y T. Alan Hatton, el Profesor Ralph Landau de Ingeniería Química.

El dispositivo es esencialmente una batería grande y especializada que absorbe dióxido de carbono del aire (u otra corriente de gas) que pasa sobre sus electrodos a medida que se carga, y luego libera el gas a medida que se descarga. En funcionamiento, el dispositivo simplemente alternaría entre carga y descarga, soplando aire fresco o gas de alimentación a través del sistema durante el ciclo de carga, y luego se expulsaría el dióxido de carbono puro y concentrado durante la descarga.

A medida que la batería se carga, se produce una reacción electroquímica en la superficie de cada una de las pilas de electrodos. Estos están recubiertos con un compuesto llamado poliantraquinona, que está compuesto con nanotubos de carbono. Los electrodos tienen una afinidad natural por el dióxido de carbono y reaccionan fácilmente con sus moléculas en la corriente de aire o en el gas de alimentación, incluso cuando está presente en concentraciones muy bajas. La reacción inversa tiene lugar cuando la batería se descarga, durante la cual el dispositivo puede proporcionar parte de la energía necesaria para todo el sistema, y ​​en el proceso expulsa una corriente de dióxido de carbono puro. Todo el sistema funciona a temperatura ambiente y presión de aire normal.

"La mayor ventaja de esta tecnología sobre la mayoría de las otras tecnologías de captura o absorción de carbono es la naturaleza binaria de la afinidad del adsorbente con el dióxido de carbono", explica Voskian. En otras palabras, el material del electrodo, por su naturaleza, "tiene una alta o ninguna afinidad", dependiendo del estado de carga o descarga de la batería. Otras reacciones utilizadas para la captura de carbono requieren pasos intermedios de procesamiento químico o el aporte de energía significativa, como el calor o las diferencias de presión.

"Esta afinidad binaria permite la captura de dióxido de carbono de cualquier concentración, incluidas 400 partes por millón, y permite su liberación en cualquier corriente portadora, incluido el 100 por ciento de CO2", dice Voskian. Es decir, a medida que fluye cualquier gas a través de la pila de estas células electroquímicas planas, durante el paso de liberación, el dióxido de carbono capturado se transportará junto con él. Por ejemplo, si el producto final deseado es dióxido de carbono puro para ser usado en la carbonatación de bebidas, entonces una corriente de gas puro puede soplar a través de las placas. El gas capturado se libera de las placas y se une a la corriente.

En algunas plantas de embotellado de refrescos, se quema combustible fósil para generar el dióxido de carbono necesario para darles a las bebidas su efervescencia. Del mismo modo, algunos agricultores queman gas natural para producir dióxido de carbono para alimentar sus plantas en invernaderos. El nuevo sistema podría eliminar la necesidad de combustibles fósiles en estas aplicaciones, y en el proceso en realidad está eliminando los gases de efecto invernadero del aire, dice Voskian. Alternativamente, la corriente de dióxido de carbono puro podría comprimirse e inyectarse bajo tierra para su eliminación a largo plazo, o incluso convertirse en combustible a través de una serie de procesos químicos y electroquímicos.

El proceso que utiliza este sistema para capturar y liberar dióxido de carbono "es revolucionario", dice. "Todo esto está en condiciones ambientales: no hay necesidad de entrada térmica, de presión o química. Son solo estas láminas muy delgadas, con ambas superficies activas, que pueden apilarse en una caja y conectarse a una fuente de electricidad".

"En mis laboratorios, nos hemos esforzado por desarrollar nuevas tecnologías para abordar una variedad de problemas ambientales que evitan la necesidad de fuentes de energía térmica, cambios en la presión del sistema o la adición de productos químicos para completar los ciclos de separación y liberación", dice Hatton. "Esta tecnología de captura de dióxido de carbono es una demostración clara del poder de los enfoques electroquímicos que requieren solo pequeños cambios de voltaje para impulsar las separaciones".

En una planta en funcionamiento, por ejemplo, en una planta de energía donde se producen gases de escape de forma continua, dos conjuntos de tales pilas de celdas electroquímicas podrían instalarse uno al lado del otro para operar en paralelo, con los gases de combustión dirigidos primero a un conjunto para captura de carbono, luego desviado al segundo conjunto mientras el primer conjunto entra en su ciclo de descarga. Al alternar de un lado a otro, el sistema siempre podría capturar y descargar el gas. En el laboratorio, el equipo ha demostrado que el sistema puede soportar al menos 7,000 ciclos de carga y descarga, con una pérdida de eficiencia del 30 por ciento durante ese tiempo. Los investigadores estiman que pueden mejorar eso fácilmente a 20,000 a 50,000 ciclos.

Los electrodos en sí pueden fabricarse mediante métodos estándar de procesamiento químico. Si bien hoy esto se hace en un laboratorio, se puede adaptar para que, en última instancia, se puedan hacer en grandes cantidades a través de un proceso de fabricación de rollo a rollo similar a una imprenta de periódico, dice Voskian. "Hemos desarrollado técnicas muy rentables", dice, estimando que podría producirse por algo así como decenas de dólares por metro cuadrado de electrodo.

En comparación con otras tecnologías de captura de carbono existentes, este sistema es bastante eficiente desde el punto de vista energético, ya que utiliza aproximadamente un gigajulio de energía por tonelada de dióxido de carbono capturado de manera constante. Otros métodos existentes tienen un consumo de energía que varía entre 1 y 10 gigajulios por tonelada, dependiendo de la concentración de entrada de dióxido de carbono, dice Voskian.

Los investigadores han establecido una compañía llamada Verdox para comercializar el proceso y esperan desarrollar una planta a escala piloto en los próximos años, dice. Y el sistema es muy fácil de escalar, dice: "Si quieres más capacidad, solo necesitas hacer más electrodos".

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