Gran avance en la captura del CO2 "caliente" de los gases de escape industriales
Un marco metal-orgánico es capaz de capturar CO2 a temperaturas extremas
Las plantas industriales, como las que fabrican cemento o acero, emiten grandes cantidades de dióxido de carbono, un potente gas de efecto invernadero, pero los gases de escape están demasiado calientes para la tecnología más moderna de eliminación de carbono. Se necesita mucha energía y agua para enfriar los gases de escape, un requisito que ha limitado la adopción de la captura de CO2 en algunas de las industrias más contaminantes.
En el centro, a la izquierda, uno de los bloques de construcción cristalinos de un marco metalorgánico (MOF) térmicamente estable, conocido como ZnH-MFU-4l, capaz de capturar de forma reversible y selectiva el dióxido de carbono, gas de efecto invernadero, a partir de una mezcla de muchos gases de interés industrial. A la izquierda se destaca el CO2, entre moléculas de nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, monóxido de carbono y agua. El MOF puede capturar CO2 durante muchos ciclos a 300 C, que es una temperatura típica de las corrientes de escape de las plantas cementeras y siderúrgicas. Los grupos hidruro de zinc del MOF se unen y liberan reversiblemente las moléculas de dióxido de carbono (derecha). Las esferas azul claro, gris, azul, rojo y blanco representan átomos de Zn, C, N, O y H, respectivamente.
Rachel Rohde, Kurtis Carsch and Jeffrey Long, UC Berkeley
Ahora, unos químicos de la Universidad de California en Berkeley han descubierto que un material poroso puede actuar como una esponja para capturar CO2 a temperaturas cercanas a las de muchas corrientes de escape industriales. El material, un tipo de armazón metalorgánico (MOF), se describe en un artículo que se publicará en la edición impresa del 15 de noviembre de la revista Science.
El método dominante para capturar el carbono de las emisiones de las centrales eléctricas o industriales emplea aminas líquidas para absorberel CO2, pero la reacción sólo funciona eficazmente a temperaturas entre 40 y 60 C (100-140 F). Las plantas cementeras y siderúrgicas producen gases de escape que superan los 200 C (400 F), y algunos gases de escape industriales se aproximan a los 500 C (930 F). Los nuevos materiales que se están probando ahora, incluida una subclase de MOF con aminas añadidas, se descomponen a temperaturas superiores a 150 C (300 F) o funcionan con mucha menos eficacia.
"Se necesita una costosa infraestructura para tomar estos flujos de gas caliente y enfriarlos a las temperaturas adecuadas para que funcionen las tecnologías de captura de carbono existentes", afirma Kurtis Carsch, becario postdoctoral de la UC Berkeley y uno de los dos primeros autores del artículo. "Nuestro descubrimiento está a punto de cambiar el concepto que los científicos tienen de la captura de carbono. Hemos descubierto que un MOF puede capturar dióxido de carbono a temperaturas sin precedentes, que son relevantes para muchos procesos de emisión de CO2. Esto era algo que antes no se consideraba posible para un material poroso".
"Nuestro trabajo se aleja del estudio predominante de los sistemas de captura de carbono basados en aminas y demuestra un nuevo mecanismo de captura de carbono en un MOF que permite el funcionamiento a altas temperaturas", afirma Rachel Rohde, estudiante de posgrado de la UC Berkeley y coautora del trabajo.
Como todos los MOF, el material presenta una matriz porosa y cristalina de iones metálicos y enlazadores orgánicos, con un área interna equivalente a unos seis campos de fútbol por cucharada, una superficie enorme para adsorber gases.
"Como resultado de sus estructuras únicas, los MOF tienen una alta densidad de sitios donde se puede capturar y liberar CO2 en las condiciones adecuadas", explica Carsch.
En condiciones simuladas, los investigadores demostraron que este nuevo tipo de MOF puede capturar CO2 caliente en concentraciones relevantes para las corrientes de escape de las plantas de fabricación de cemento y acero, que tienen una media del 20% al 30% de CO2, así como emisiones menos concentradas de centrales eléctricas de gas natural, que contienen alrededor del 4%de CO2.
Eliminar el CO2 de las emisiones industriales y de las centrales eléctricas, tras lo cual se almacena bajo tierra o se utiliza para fabricar combustibles u otros productos químicos de valor añadido, es una estrategia clave para reducir los gases de efecto invernadero que están calentando la Tierra y alterando el clima a escala mundial. Aunque las fuentes de energía renovables ya están reduciendo la necesidad de centrales eléctricas que queman combustibles fósilesy emiten CO2, las plantas industriales que hacen un uso intensivo de combustibles fósiles son más difíciles de hacer sostenibles, por lo que la captura de gases de combustión es esencial.
"Tenemos que empezar a pensar en las emisiones de CO2 de industrias como la siderurgia y la fabricación de cemento, que son difíciles de descarbonizar, porque es probable que sigan emitiendo CO2, incluso cuando nuestra infraestructura energética se oriente más hacia las energías renovables", afirma Rohde.
De las aminas a los hidruros metálicos
Rohde y Carsch investigan en el laboratorio de Jeffrey Long, catedrático de Química, Ingeniería Química y Biomolecular y Ciencia e Ingeniería de los Materiales de la Universidad de Berkeley. Long lleva más de una década investigando los MOFabsorbentes de CO2. En 2015, su laboratorio creó un material prometedor que fue perfeccionado por la empresa emergente de Long, Mosaic Materials, que en 2022 fue adquirida por la empresa de tecnología energética Baker Hughes. Este material presenta aminas que capturan el CO2; se están probando variantes de próxima generación como alternativas a las aminas acuosas para la captura de CO2 en plantas a escala piloto, y como forma de capturar CO2 directamente del aire ambiente.
Pero estos MOF, al igual que otros adsorbentes porosos, son ineficaces a las elevadas temperaturas asociadas a muchos gases de combustión, según Carsch.
Los adsorbentes basados en aminas, como los desarrollados por Long, han sido el centro de la investigación sobre captura de carbono durante décadas. En cambio, el MOF estudiado por Rohde, Carsch, Long y sus colegas presenta poros decorados con sitios de hidruro de zinc, que también fijan CO2. Según Rohde, estos sitios resultaron ser sorprendentemente estables.
"Los hidruros metálicos moleculares pueden ser reactivos y poco estables", explica Rohde. "Este material es muy estable y realiza lo que se denomina captura profunda de carbono, es decir, puede capturar el 90% o más del CO2 con el que entra en contacto, que es lo que realmente se necesita para la captura de fuentes puntuales. Y tiene capacidades de CO2 comparables a las de los MOF con aminas, aunque a temperaturas mucho más altas".
Una vez que el MOF está lleno deCO2,éste puede eliminarse, o desorberse, reduciendo la presión parcial de CO2, ya sea lavándolo con un gas diferente o poniéndolo al vacío. El MOF queda entonces listo para ser reutilizado en otro ciclo de adsorción.
"Dado que la entropía favorece la presencia de moléculas comoel CO2 en fase gaseosa cada vez más a medida que aumenta la temperatura, se pensaba que era imposible capturar estas moléculas con un sólido poroso a temperaturas superiores a 200 C", explica Long. "Este trabajo demuestra que con la funcionalidad adecuada -en este caso, sitios de hidruro de zinc- sí se puede lograr una captura rápida, reversible y de gran capacidad de CO2 a temperaturas elevadas como 300 C".
Rohde, Long y sus colegas están explorando variantes de este MOF de hidruro metálico para ver qué otros gases pueden adsorber, y también modificaciones que permitan a estos materiales adsorber aún más CO2.
"Tenemos suerte de haber hecho este descubrimiento, que ha abierto nuevas vías en la ciencia de la separación centradas en el diseño de adsorbentes funcionales que puedan funcionar a altas temperaturas", afirma Carsch, que ha asumido un puesto docente en el Departamento de Química de la Universidad de Texas en Austin. "Hay un número tremendo de formas en que podemos ajustar el ion metálico y el enlazador en los MOF, de tal manera que puede ser posible diseñar racionalmente tales adsorbentes para otros procesos de separación de gases a alta temperatura relevantes para la industria y la sostenibilidad."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Rachel C. Rohde, Kurtis M. Carsch, Matthew N. Dods, Henry Z. H. Jiang, Alexandra R. McIsaac, Ryan A. Klein, Hyunchul Kwon, Sarah L. Karstens, Yang Wang, Adrian J. Huang, Jordan W. Taylor, Yuto Yabuuchi, Nikolay V. Tkachenko, ... Andrew M. Minor, Jeffrey A. Reimer, Martin Head-Gordon, Craig M. Brown, Jeffrey R. Long; "High-temperature carbon dioxide capture in a porous material with terminal zinc hydride sites"; Science, Volume 386
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