Un gran avance en la tecnología de captura de carbono podría proporcionar una forma eficiente y económica para que las plantas de energía de gas natural eliminen el dióxido de carbono de sus emisiones de humos, un paso necesario para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero para frenar el calentamiento global y el cambio climático.
Desarrollada por investigadores de la Universidad de California, Berkeley, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y ExxonMobil, la nueva técnica utiliza un material altamente poroso llamado marco metal-orgánico, o MOF, modificado con moléculas de amina que contienen nitrógeno para capturar el CO 2 y vapor a baja temperatura para eliminar el CO 2 para otros usos o para secuestrarlo bajo tierra.
En experimentos, la técnica mostró una capacidad seis veces mayor para eliminar CO 2 de los gases de combustión que la tecnología actual basada en aminas, y fue altamente selectiva, capturando más del 90% del CO 2 emitido. El proceso utiliza vapor a baja temperatura para regenerar el MOF para uso repetido, lo que significa que se requiere menos energía para la captura de carbono.
"Para CO 2 captura, extracción con vapor, donde se usa el contacto directo con el vapor para eliminar el CO 2 - ha sido una especie de santo grial para el campo. Con razón se ve como la forma más barata de hacerlo ", dijo el investigador principal Jeffrey Long, profesor de química y de ingeniería química y biomolecular de UC Berkeley y científico principal de la facultad enBerkeley Lab. "Estos materiales, al menos de los experimentos que hemos realizado hasta ahora, parecen muy prometedores".
Porque hay poco mercado para la mayoría de CO capturado 2 , las plantas de energía probablemente bombearían la mayor parte de nuevo al suelo, o lo secuestrarían, donde idealmente se convertiría en roca. El costo de depurar las emisiones tendría que ser facilitado por políticas gubernamentales, como el comercio de carbono o unaimpuesto, para incentivar el CO 2 captura y secuestro, algo que muchos países ya han implementado.
El trabajo fue financiado por ExxonMobil, que está trabajando tanto con el grupo Berkeley como con la empresa emergente de Long, Mosaic Materials Inc., para desarrollar, escalar y probar procesos para eliminar CO 2 de emisiones.
Long es el autor principal de un artículo que describe la nueva técnica que aparecerá en la edición del 24 de julio de la revista ciencia .
"Pudimos tomar el descubrimiento inicial y, a través de la investigación y las pruebas, derivar un material que en experimentos de laboratorio ha demostrado el potencial no solo para capturar CO 2 en las condiciones extremas presentes en las emisiones de gases de combustión de las plantas de energía de gas natural, pero para hacerlo sin pérdida de selectividad ", dijo el coautor Simon Weston, investigador asociado senior y líder del proyecto en ExxonMobil Research and Engineering Co."Hemos demostrado que estos nuevos materiales pueden luego regenerarse con vapor de bajo grado para uso repetido, proporcionando una vía para una solución viable para la captura de carbono a escala ".
Las emisiones de dióxido de carbono de los vehículos que queman combustibles fósiles, las plantas generadoras de electricidad y la industria representan aproximadamente el 65% de los gases de efecto invernadero que impulsan el cambio climático, que ya ha aumentado la temperatura promedio de la Tierra en 1.8 grados Fahrenheit 1 grado Celsius desde el siglo XIX.Sin una disminución en estas emisiones, los científicos del clima predicen temperaturas cada vez más altas, tormentas más erráticas y violentas, varios pies de aumento del nivel del mar y sequías, inundaciones, incendios, hambrunas y conflictos resultantes.
"En realidad, del tipo de cosas que el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático dice que debemos hacer para controlar el calentamiento global, CO 2 la captura es una gran parte ", dijo Long." No tenemos un uso para la mayor parte del CO 2 que tenemos que dejar de emitir, pero tenemos que hacerlo ".
pelado
Plantas de energía tiran CO 2 de las emisiones de los gases de combustión de hoy al burbujear los gases de combustión a través de aminas orgánicas en el agua, que unen y extraen el dióxido de carbono. Luego, el líquido se calienta a 120-150 C 250-300 F para liberar el CO 2 gas, después de lo cual se reutilizan los líquidos. Todo el proceso consume alrededor del 30% de la energía generada. Secuestrando el CO capturado 2 el subterráneo cuesta una fracción adicional, aunque pequeña, de eso.
Hace seis años, Long y su grupo en el Centro de Separaciones de Gas de UC Berkeley, que está financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., Descubrieron un MOF modificado químicamente que captura fácilmente CO 2 de las emisiones concentradas de los gases de combustión de las centrales eléctricas, lo que podría reducir el costo de captura a la mitad. Agregaron moléculas de diamina a un MOF a base de magnesio para catalizar la formación de cadenas de polímero de CO 2 que luego podría purgarse enjuagando con una corriente húmeda de dióxido de carbono.
Debido a que los MOF son muy porosos, en este caso como un panal, una cantidad del peso de un clip tiene un área de superficie interna igual a la de un campo de fútbol, todo disponible para adsorber gases.
Una de las principales ventajas de los MOF con amina es que las aminas se pueden modificar para capturar CO 2 a diferentes concentraciones, que van desde el 12% al 15% típico de las emisiones de las plantas de carbón al 4% típico de las plantas de gas natural, o incluso las concentraciones mucho más bajas en el aire ambiental. Mosaic Materials, que Long cofundó y dirige,fue creado para hacer que esta técnica esté ampliamente disponible en plantas industriales y de energía.
Pero la corriente de agua y CO a 180 C 2 necesario para eliminar el CO capturado 2 eventualmente elimina las moléculas de diamina, acortando la vida útil del material. La nueva versión usa cuatro moléculas de amina, una tetraamina, que es mucho más estable a altas temperaturas y en presencia de vapor.
"Las tetraaminas están tan fuertemente ligadas dentro del MOF que podemos usar una corriente muy concentrada de vapor de agua con cero CO 2 y si lo intenta con los adsorbentes anteriores, el vapor comenzaría a destruir el material ", dijo Long.
Demostraron que el contacto directo con el vapor a 110-120 C, un poco por encima del punto de ebullición del agua, funciona bien para eliminar el CO 2 . El vapor a esa temperatura está disponible en las centrales eléctricas de gas natural, mientras que el CO de 180 C 2 -mezcla de agua requerida para regenerar el MOF modificado anteriormente requería calentamiento, lo que desperdicia energía.
Cuando Long, Weston y sus colegas pensaron por primera vez en reemplazar las diaminas con tetraaminas más resistentes, parecía una posibilidad remota. Pero las estructuras cristalinas de los MOF que contienen diamina sugirieron que podría haber formas de conectar dos diaminas para formar una tetraamina mientras se conservala capacidad del material para polimerizar CO 2 . Cuando el estudiante graduado de UC Berkeley, Eugene Kim, primer autor del artículo, creó químicamente el MOF con tetraamina, superó al MOF con diamina en el primer intento.
Los investigadores estudiaron posteriormente la estructura del MOF modificado utilizando la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab, revelando que el CO 2 los polímeros que recubren los poros del MOF están en realidad unidos por las tetraaminas, como una escalera con tetraaminas como peldaños. Cálculos de la teoría funcional de la densidad de los primeros principios utilizando la supercomputadora Cori en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética NERSC de Berkeley Lab,Los recursos informáticos en Molecular Foundry y los recursos proporcionados por el programa Berkeley Research Computing del campus confirmaron esta notable estructura que el equipo de Long había previsto inicialmente.
"He estado investigando en Cal durante 23 años, y este es uno de esos momentos en los que tienes lo que parecía una idea loca, y simplemente funcionó de inmediato", dijo Long.
Los coautores con Long, Kim y Weston son Joseph Falkowski de ExxonMobil; Rebecca Siegelman, Henry Jiang, Alexander Forse, Jeffrey Martell, Phillip Milner, Jeffrey Reimer y Jeffrey Neaton de UC Berkeley; y Jung-Hoon Lee de Berkeley Lab.Neaton y Reimer también son científicos senior de la facultad en Berkeley Lab.
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