Capture dióxido de carbono y conviértalo energéticamente de manera eficiente

Los investigadores han descubierto cómo se puede capturar y convertir el dióxido de carbono mediante un único proceso electroquímico en el que se utiliza un electrodo, como el que se muestra en la imagen cubierto de burbujas, para atraer el dióxido de carbono liberado de un material absorbente y convertirlo en carbono neutro. productos. Crédito: John Frieda/MIT MechE

Estos resultados, que se basan en un único proceso electroquímico, podrían ayudar a reducir las emisiones de industrias difíciles de descarbonizar, como las del acero y el cemento.

En un esfuerzo por reducir las emisiones globales de gases de efecto invernadero en todo el mundo, los científicos de Instituto de Tecnología de Massachusetts Se centran en tecnologías de captura de carbono para descarbonizar las emisiones industriales más desafiantes.

Es particularmente difícil descarbonizar industrias como las del acero, el cemento y la fabricación de productos químicos debido al uso inherente de carbono y combustibles fósiles en sus procesos. Si se pueden desarrollar tecnologías para capturar las emisiones de carbono y reutilizarlas en el proceso de producción, esto podría conducir a una reducción significativa de las emisiones de estos sectores “difíciles de mitigar”.

Sin embargo, las tecnologías experimentales actuales 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 más eficiente energéticamente que pueda funcionar con energía renovable para capturar y convertir dióxido de carbono de fuentes industriales concentradas.

Hallazgos recientes sobre captura y conversión de carbono

En un estudio publicado el 5 de septiembre en la revista catálisis SCALos investigadores revelan la función oculta de cómo se captura y convierte el dióxido de carbono mediante un único proceso electroquímico. El proceso implica el uso de un electrodo para capturar el dióxido de carbono liberado por el material absorbente, convirtiéndolo en una forma diluida 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 este impulso y finalmente descubrió que se debía a la presión parcial del dióxido de carbono. En otras palabras, cuanto más puro es el CO2 que entra en contacto con el electrodo, más eficientemente éste captura y convierte la molécula.

Descubra cuál es este motor principal o «activo». Clasificar«, podría 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 indican que, aunque estos sistemas electroquímicos pueden no ser adecuados para entornos muy diluidos (por ejemplo, para capturar y convertir emisiones de carbono directamente del aire), sí lo serían para emisiones altamente concentradas generadas por procesos industriales. Especialmente aquellos que no tienen una alternativa clara a las energías renovables.

«Podemos y debemos pasar a fuentes de energía renovables para producir electricidad», dice el autor del estudio Petar Galant, profesor asociado de desarrollo profesional en el MIT, promoción de 1922. «Las industrias que se descarbonizan profundamente, como la producción de cemento o acero, son un desafío y llevarán tiempo». Más largo: “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. Aquí es donde vemos un punto óptimo, donde algo como este sistema podría funcionar.

Los coautores del estudio del MIT son el autor principal e investigador postdoctoral Graham Leverick y la estudiante de posgrado Elizabeth Bernhardt, junto con Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lo, Arif Arifuzzaman y Mohd Khairuddin Arua de la Universidad Sunway de Malasia.

Comprender el proceso de captura de carbono

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 dirigir las emisiones a cámaras llenas de una solución de “captura”: una mezcla de aminas o compuestos a base de amoníaco que se unen químicamente con el dióxido de carbono, creando una forma estable que puede separarse del resto. De los gases de combustión.

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

«La captura de carbono es una tecnología madura, ya que la química se conoce desde hace unos 100 años, pero requiere instalaciones realmente grandes y su funcionamiento es muy caro y consume mucha energía», señala Gallant. «Lo que queremos son tecnologías que sean más flexibles y flexibles y que puedan adaptarse a fuentes más diversas de dióxido de carbono. Los sistemas electroquímicos pueden ayudar a abordar esto».

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, en lugar de separado, podría funcionar enteramente con electricidad renovable en lugar de vapor derivado de combustibles fósiles, afirma.

Su concepto se centra en un electrodo que se puede instalar en cámaras existentes para soluciones de captura de carbono. Cuando se aplica 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 absorbente esté disponible para unir más dióxido de carbono, en lugar de usar vapor para hacer lo mismo.

Gallant ha demostrado previamente que este proceso electroquímico puede capturar dióxido de carbono y convertirlo en gas. Forma de carbonato sólido.

«Demostramos que este proceso electroquímico era posible desde conceptos muy tempranos», dice. «Desde entonces, ha habido otros estudios centrados en el uso de este proceso para intentar producir sustancias químicas y combustibles útiles. Pero ha habido explicaciones inconsistentes sobre cómo funcionan estas reacciones, en secreto».

Papel del CO2 solo

En el nuevo estudio, el equipo del MIT utilizó una lupa para descubrir las reacciones específicas que impulsan el proceso electroquímico. En el laboratorio, produjeron soluciones de aminoácidos que se asemejan a las soluciones de captura industriales utilizadas para extraer dióxido de carbono de los gases de combustión. Variaron sistemáticamente diferentes propiedades de cada solución, como el pH, la concentración y el tipo de amina, y luego pasaron cada solución a través de un electrodo hecho de plata, un metal muy utilizado en estudios de electrólisis y conocido por su capacidad para convertir eficientemente dióxido de carbono en carbono. . Monóxido. Luego midieron la concentración de monóxido de carbono convertido al final de la reacción y compararon este número con todas las demás soluciones que probaron, para ver qué parámetro tenía el mayor efecto sobre la cantidad de monóxido de carbono producido.

Al final, descubrieron que lo que más importaba no era el tipo de amina utilizada para atrapar inicialmente el dióxido de carbono, como muchos esperaban. En cambio, fue la concentración de moléculas de CO2 individuales y libres las que evitaron la unión a las aminas pero, no obstante, estaban presentes en la solución. El “dióxido de carbono único” determina la concentración de monóxido de carbono que finalmente se produce.

«Descubrimos que era más fácil reaccionar con dióxido de carbono único que con el dióxido de carbono capturado por la amina», dice Leverick. «Esto les dice a los futuros investigadores que este proceso podría ser factible para los flujos industriales, ya que altas concentraciones de dióxido de carbono pueden capturarse y convertirse de manera eficiente en productos químicos y combustibles útiles».

“Esta no es una técnica de eliminación y es importante mencionarlo”, enfatiza Gallant. «El valor que aporta es que nos permite reciclar CO2 varias veces manteniendo los procesos industriales existentes, para reducir las emisiones asociadas. En última instancia, mi sueño es que los sistemas electroquímicos puedan usarse para facilitar la mineralización y el almacenamiento permanente de CO2, un verdadero tecnología de eliminación”. Esta es una visión a largo plazo, y gran parte de la ciencia que estamos empezando a comprender es un primer paso hacia el diseño de estos procesos.

Referencia: «Detección de especies activas en dióxido de carbono mediado por aminas.₂ “Reducción de CO2 en Ag” por Graham Leverick, Elizabeth M. Bernhardt, Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lu, A. Arif Al-Zaman, Muhammad Khairuddin Arwa y Petar M. Gallant*, 5 de septiembre, 2023 catálisis SCA.
doi: 10.1021/acscatal.3c02500

Esta investigación cuenta con el apoyo de la Universidad Sunway de Malasia.