Para hacer realidad la quema de combustibles fósiles "limpios", los investigadores tienen que extraer el dióxido de carbono de los gases de escape que se elevan de las centrales eléctricas de carbón o gas natural y almacenarlo o reutilizarlo. Para la hazaña de captura, los investigadores están estudiando líquidos especiales de lavadoque unen y liberan el gas, pero algunos de los más prometedores se espesan hasta obtener una consistencia fría de miel al unir dióxido de carbono, lo que los hace ineficientes y costosos de usar.
Ahora, los investigadores han utilizado el modelado por computadora para diseñar estos materiales líquidos de modo que retengan una baja viscosidad después de esponjar dióxido de carbono, basándose en una sorpresa que encontraron en sus exploraciones. Aunque los químicos todavía tienen que probar el líquido predicho en el laboratorio, pueden predecir la viscosidad ayudará a los investigadores a encontrar y diseñar materiales de captura de carbono más baratos y eficientes, informan en Revista de cartas de química física 28 de marzo
"Esperamos reducir los costos operativos", dijo el químico Roger Rousseau del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía. "Con una viscosidad más baja, podemos ejecutar el proceso a temperaturas más bajas y óptimas, y el costo paraimplementar gotas astronómicamente "
esponja de carbono
Las plantas de energía de carbón y gas natural actualmente emiten cantidades sustanciales de gases de efecto invernadero globales, pero las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono proporcionan un camino potencial prometedor para reducir esas emisiones.
Para separar el gas, los investigadores están diseñando materiales que pueden retener de forma reversible, y solo, dióxido de carbono. Los gases de escape se mezclan con el material de alguna manera, el material recoge el gas de efecto invernadero como una esponja, y luego otros procesos, en sentido figurado, exprima la esponja para recuperar el dióxido de carbono, para almacenarlo fuera de la atmósfera o reutilizarlo en la producción de combustibles o productos químicos.
Un favorito para tales materiales son los líquidos conocidos como líquidos orgánicos de unión a dióxido de carbono, o CO 2 BOL para abreviar co-bolas pronunciadas. CO 2 Los BOL tienen una ventaja sobre muchas tecnologías: no son a base de agua. Los materiales a base de agua que recolectan dióxido de carbono requieren mucha más energía para extraer el dióxido de carbono, porque el proceso implica calentamiento.
Los investigadores han estudiado CO 2 BOL durante muchos años, pero tuvo problemas para superar un problema de espesamiento. El CO 2 Los BOL por sí mismos son similares en viscosidad al agua, pero una vez que se unen al dióxido de carbono, se vuelven espesos como la miel fría. Cuanto más dióxido de carbono se acumulan, más espesos se vuelven.
La alta viscosidad es un inconveniente en muchos aspectos: bombear líquidos espesos a través de tuberías a una instalación para recolectar el dióxido de carbono requiere mucha energía y extraer el gas del líquido requiere mucho calor. Además, los operadores no pueden recolectar comomucho dióxido de carbono como el CO 2 BOL se mantendrá; tienen que mantener la viscosidad lo suficientemente delgada como para bombear el fluido. Los cálculos económicos sugieren usar CO 2 BOL ineficientemente como este sería costoso.
"La alta viscosidad aumentaría significativamente el costo en comparación con la tecnología convencional de captura de carbono", dijo el químico de PNNL Dave Heldebrant, coautor del estudio y que lidera la parte de síntesis química del equipo.
Visc calculada
No dispuestos a renunciar a una tecnología prometedora, Rousseau y su colega Vassiliki-Alexandra "Vanda" Glezakou tomaron la computadora. Decidieron ver si podían predecir la viscosidad de una molécula con simulaciones moleculares. Eso les permitiríadiseño de baja viscosidad CO 2 BOL que luego podrían probarse en el laboratorio.
Comenzaron viendo lo que estaba sucediendo con un CO simple 2 BOL y dióxido de carbono. Eligieron una molécula llamada IPADM y simularon su unión con dióxido de carbono. Al hacerlo, el programa de computadora debe realizar un seguimiento de la posición y el movimiento de muchos miles de átomos en la simulación.
Encontraron que una molécula de dióxido de carbono neutral aterrizó en un lugar particular en el IPADM neutro, formando IPADM-CO2. Cuando esto sucedió, los electrones se movieron entre los átomos. Esto creó una mancha dentro del IPADM-CO2 con una carga positiva yotro lugar con una carga negativa. El resultado es una molécula neutral en general que ha separado las cargas positivas y negativas, lo que los químicos llaman zwitterion.
Glezakou, Rousseau y sus colegas realizaron simulaciones múltiples, pero mezclaron computacionalmente un porcentaje creciente de dióxido de carbono en las moléculas de IPADM. Vieron una relación entre cómo se movían las cargas en las moléculas y su viscosidad. Esto les permitió desarrollar unecuación que podría calcular la viscosidad a partir de diversas características químicas de su CO 2 BOL. Validaron su ecuación comparando las viscosidades calculadas de diferentes CO 2 BOL con valores conocidos
Su análisis también les mostró que el zwitterion es lo que aumenta la viscosidad. Las cargas internas positivas y negativas pueden interactuar con dichas cargas en otras moléculas de IPADM-CO2, evitando que se muevan libremente. Sin el -CO2, el IPADM esdelgada como el agua. Con ella, cariño.
Z a A
¿Podrían los investigadores deshacerse de esas cargas? En otros zwitteriones, los investigadores sabían que los protones a menudo se movían, formando a veces una molécula neutra. Se preguntaban si podrían forzar el CO 2 BOL para hacer esto también cambiando el armazón molecular para empujar el protón hacia la parte negativa de la molécula una vez que captura el dióxido de carbono, lo que resulta en un ácido neutro.
"En el momento en que vimos que la forma ácida era más estable para algunos CO 2 BOL, supimos instantáneamente que podíamos cambiar la estructura molecular del candidato CO 2 BOL para que eso suceda con más frecuencia ", dijo Glezakou." Nadie estaba considerando la forma de ácido neutro para estos sistemas antes. La idea convencional era que el CO 2 Los BOL siempre serían un líquido iónico, pero claramente no tiene que serlo. Pero el truco es tener las dos partes de la molécula que reciben el protón muy cerca y pueden compartir el protón ".
Si esta idea se concretara, la viscosidad ya no sería un problema para un sistema solvente de captura de carbono no iónico.
El equipo simuló la unión de IPADM al dióxido de carbono nuevamente, pero incluyeron dos variaciones en IPADM. Las dos variaciones incluyeron pequeños cambios químicos en IPADM que influirían en el lugar donde los electrones viajaban a través de la estructura unida.
Simularon el 25 por ciento del CO 2 BOLs que unen dióxido de carbono y determinaron con qué facilidad se formaron los ácidos neutros. El equipo vio que, a diferencia de IPADM, los otros dos CO 2 Los BOL formaron inesperadamente el ácido neutro fácilmente, casi tan fácilmente como formó el zwitterion. Uno llamado EODM, especialmente, era aproximadamente 50 por ciento de zwitterion y 50 por ciento de ácido neutro.
Verificación de la realidad
Luego, los científicos determinaron qué forma tomó IPADM-CO2 en la vida real. Comparando los valores de las viscosidades calculadas con las viscosidades determinadas experimentalmente, los químicos concluyeron que IPADM-CO2 forma más comúnmente el zwitterion.
¿Pero qué pasaría con la viscosidad de IPADM-CO2 si se formara el ácido neutro? Los químicos calcularon la viscosidad pronosticada de IPADM-CO2 y sus dos variaciones. Para los tres, la viscosidad pronosticada disminuyó en más de la mitad.
Armados con lo que ahora saben que le tiene que pasar a su CO 2 BOL, los químicos están cambiando su enfoque hacia las moléculas que mantienen las partes cargadas cerca unas de otras y que tienen más probabilidades de formar la variación de ácido neutro. Algunas mediciones iniciales en el laboratorio confirmaron los hallazgos, con más por venir.
"Si pudiéramos reducir la viscosidad en un 50 por ciento o más, CO 2 Los BOL estarían actuando en su rango óptimo y serían mucho más eficientes ", dijo Heldebrant.
"Este es un buen ejemplo de cómo la ciencia fundamental y los conocimientos a nivel molecular pueden acelerar la tecnología en tiempo real", dijo Glezakou. "Y esto fue posible a través de la integración única de la teoría y el experimento de vanguardia".
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Energía Fósil del Departamento de Energía.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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