Captura y conversión de CO2 de alta eficiencia energética

Los hallazgos, basados ​​en un único proceso electroquímico, podrían ayudar a reducir las emisiones de industrias que son más 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 MIT se están centrando en tecnologías de captura de carbono para descarbonizar a los emisores industriales más desafiantes.

Industrias como las del acero, el cemento y la fabricación de productos químicos son particularmente difíciles de descarbonizar 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 dentro del proceso de producción, esto podría conducir a una reducción significativa de las emisiones de estos sectores “difíciles de reducir”.

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 está tratando de combinar los dos procesos en un sistema único, integrado y mucho más eficiente desde el punto de vista energético que potencialmente podría funcionar con energía renovable para capturar y convertir el dióxido de carbono de fuentes industriales concentradas.

Resultados recientes sobre captura y conversión de carbono

En un estudio publicado el 5 de septiembre en la revista catálisis SCA, los investigadores revelan el funcionamiento oculto de cómo se puede capturar y convertir el dióxido de carbono mediante un proceso electroquímico único. El proceso implica el uso de un electrodo para atraer el dióxido de carbono liberado por un absorbente 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 realizó extensos experimentos para determinar este factor y descubrió que, en última instancia, era 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 esta actividad primaria o “activa”. especies”, 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 adecuados para emisiones altamente concentradas generadas por procesos industriales, particularmente aquellos que tienen No hay una alternativa renovable obvia.

“Podemos y debemos cambiar a energías renovables para la producción de electricidad. Pero la descarbonización profunda de industrias como la del cemento o la fabricación de acero es un desafío y llevará más tiempo”, dice el autor del estudio Betar Gallant, profesor asociado de desarrollo profesional en el MIT en 1922. “Incluso si nos deshacemos de todas nuestras centrales eléctricas, necesitamos algunas soluciones para gestionar las emisiones de otros sectores 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.

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 el uso de grandes modificaciones 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, normalmente 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, como se conoce la química desde hace unos 100 años, pero requiere instalaciones muy 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 resolver 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, en lugar de desacoplado, podría funcionar enteramente con electricidad renovable en lugar de vapor derivado de combustibles fósiles.

Su concepto se centra en un electrodo que encajaría en las 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 absorbente esté disponible para unir más dióxido de carbono, en lugar de usar vapor para hacer lo mismo.

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

«Demostramos que este proceso electroquímico era viable desde conceptos muy tempranos», afirma. “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».

El papel de “Sólo CO2”

En el nuevo estudio, el equipo del MIT utilizó una lupa bajo el capó para identificar 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 tan eficientemente el 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 el de todas las demás soluciones analizadas, para ver qué parámetro tenía la mayor influencia en la cantidad de monóxido de carbono producido.

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. En cambio, fue la concentración de moléculas individuales de dióxido de carbono flotantes, las que evitaron la unión a las aminas pero aún 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 ‘solitario’, en comparación con el CO2 capturado por la amina», explica 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 aclararlo”, enfatiza Gallant. “El valor que aporta es que nos permite reciclar el dióxido de carbono varias veces y al mismo tiempo respaldar 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. Ésta 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 tales procesos».

Referencia: «Descubriendo las especies activas en CO mediado por aminas.₂ Reduction to CO on Ag” por Graham Leverick, Elizabeth M. Bernhardt, Aisyah Ilyani Ismail, Jun Hui Law, A. Arifutzzaman, Mohamed Kheireddine Aroua y Betar M. Gallant*, 5 de septiembre de 2023, catálisis SCA.
DOI: 10.1021/acscatal.3c02500

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