La Universidad Northwestern ha desarrollado una tecnología de "oscilación de humedad" para la captura directa de carbono en el aire (DAC) que utiliza una serie de iones para capturar dióxido de carbono con baja humedad y liberarlo con alta humedad. Esta investigación aumenta la comprensión de DAC y proporciona un método de captura de carbono más eficiente desde el punto de vista energético que las tecnologías tradicionales.
A medida que la sociedad global avance hacia la descarbonización de la producción industrial, será necesario no sólo evitar la creación de nuevo carbono en la atmósfera, sino también extraer el dióxido de carbono que ya está allí.
Mientras que la captura de carbono tradicional se centra en recolectar dióxido de carbono desde el punto de emisión en un proceso con mucho carbono, la "captura directa de aire" (DAC) extrae carbono en condiciones atmosféricas normales. Este enfoque es cada vez más importante en la lucha contra el cambio climático, especialmente a medida que disminuye nuestra dependencia de los combustibles fósiles y disminuye la necesidad de capturar carbono en la fuente. Utilizando tecnología de humedad, los científicos han descubierto varios iones nuevos que contribuyen al secuestro de carbono de baja energía.
Una nueva investigación de la Universidad Northwestern demuestra una nueva forma de capturar carbono de las condiciones ambientales, que examina la relación entre el agua y el dióxido de carbono en un sistema, informando la tecnología de "oscilación de humedad" que captura dióxido de carbono cuando la humedad es baja y lo libera cuando la humedad es alta. Este método combina métodos cinéticos innovadores con una variedad de iones para eliminar carbono de casi cualquier lugar.
La investigación fue publicada recientemente en la revista Environmental Science and Technology.
Vinayak P. Dravid de la Universidad Northwestern, autor principal del estudio, dijo: "No sólo hemos ampliado y optimizado la selección de iones de captura de carbono, sino que también hemos ayudado a revelar los fundamentos de las complejas interacciones fluido-superficie. Este trabajo avanza nuestra comprensión colectiva de DAC, y nuestros datos y análisis proporcionan una fuerte motivación para que los teóricos y experimentales mejoren aún más la captura de carbono en condiciones del mundo real".
Dravid es profesor Abraham-Harris en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Escuela de Ingeniería McCormick de la Universidad Northwestern y director de iniciativas globales en el Instituto Internacional de Nanotecnología. Los estudiantes de doctorado John Hegarty y Benjamin Shindel son los coautores del artículo.
Schindel dijo que la idea detrás del artículo surgió del deseo de utilizar las condiciones ambientales para promover respuestas. "Nos gusta la captura de carbono con péndulo húmedo porque no tiene un costo energético explícito. Aunque humidificar una cierta cantidad de aire requiere una cierta cantidad de energía, lo ideal es obtener la humedad 'gratis' y depender energéticamente de un depósito natural de aire húmedo y seco adyacente al medio ambiente".
El equipo de investigación también amplió la cantidad de iones utilizados para hacer posible la reacción.
"No sólo hemos duplicado la cantidad de iones que pueden lograr la captura de carbono en humedad ideal, sino que también hemos descubierto el sistema de mayor rendimiento hasta la fecha", dijo John Hegarty.
En los últimos años, ha comenzado a surgir la tecnología de captura de cambios de humedad. Los métodos tradicionales de captura de carbono utilizan adsorbentes para capturar dióxido de carbono en una ubicación de origen y luego usan calor o un vacío creado para liberar el dióxido de carbono del adsorbente. El coste energético de este enfoque es elevado.
Los métodos tradicionales de captura de carbono retienen el dióxido de carbono, lo que significa que se requiere mucha energía para liberarlo y reutilizarlo. Este enfoque tampoco funciona en todas partes. Por ejemplo, los fabricantes de agricultura, hormigón y acero son fuentes importantes de emisiones, pero sus grandes huellas hacen imposible capturar carbono de una sola fuente. Los países más ricos deberían esforzarse por reducir las emisiones por debajo de cero, mientras que los países en desarrollo con una economía más basada en el carbono deberían reducir su producción de dióxido de carbono.
Otro autor principal, el profesor de química Omar Farha, tiene una amplia experiencia en la exploración del papel de las estructuras de estructura de óxido metálico (MOF) en una variedad de aplicaciones, incluida la captura y el almacenamiento de dióxido de carbono.
"El DAC es un problema complejo y multifacético que requiere un enfoque interdisciplinario", afirmó Farha. "Lo que aprecio de este trabajo son las mediciones detalladas y cuidadosas de parámetros complejos. Cualquier mecanismo propuesto debe tener en cuenta estas intrincadas observaciones".
Investigadores anteriores se han centrado en los iones de carbonato y fosfato para promover la captura de humedad y han desarrollado hipótesis específicas sobre por qué estos iones específicos son efectivos. Pero el equipo de Dravid espera probar una gama más amplia de iones para ver cuáles funcionan mejor. En general, descubrieron que los iones con los estados de valencia más altos (principalmente fosfatos) eran los más efectivos, por lo que comenzaron a buscar iones multivalentes, excluyendo algunos, y encontraron nuevos iones que eran efectivos para esta aplicación, incluidos silicatos y boratos.
El equipo cree que futuros experimentos junto con modelos computacionales ayudarán a explicar mejor por qué algunos iones son más efectivos que otros.
Ya hay empresas que trabajan para comercializar la captura directa de carbono en el aire, utilizando créditos de carbono para incentivar a las empresas a compensar las emisiones. Muchas empresas están capturando carbono ya capturado a través de actividades como el cambio de prácticas agrícolas, mientras que este enfoque podría secuestrar explícitamente dióxido de carbono directamente de la atmósfera, luego concentrarlo y, en última instancia, almacenarlo o reutilizarlo.
El equipo de Dravid planea combinar este material de captura de dióxido de carbono con una plataforma de esponja porosa que desarrollaron anteriormente para eliminar toxinas ambientales, incluidos petróleo, fosfatos y microplásticos.