En medio de los esfuerzos globales para frenar las emisiones de gases de efecto invernadero, los científicos del MIT se están centrando en la tecnología de captura de carbono para descarbonizar las emisiones industriales más desafiantes. Estos hallazgos, basados en un único proceso electroquímico, podrían ayudar a reducir las emisiones de las industrias más difíciles de descarbonizar, como las del acero y el cemento.
Los investigadores han revelado cómo capturar y convertir dióxido de carbono mediante un único proceso electroquímico. En este proceso, se utilizan electrodos (como el cubierto de burbujas en la imagen) para absorber el dióxido de carbono liberado del adsorbente y convertirlo en un producto neutro en carbono. Crédito de la foto: JohnFreidah/MITMechE
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 de producción. Si se pudiera desarrollar tecnología para capturar las emisiones de carbono y reutilizarlas en el proceso de producción, sería posible reducir significativamente las emisiones de estas industrias "difíciles de reducir".
Sin embargo, las tecnologías experimentales actuales para capturar y convertir dióxido de carbono son dos procesos separados que a su vez requieren grandes cantidades de energía para funcionar. El equipo de investigación del MIT espera combinar los dos procesos en un sistema integrado y mucho más eficiente energéticamente que potencialmente podría utilizar energía renovable para capturar y convertir dióxido de carbono de recursos industriales concentrados.
Últimos resultados de las investigaciones sobre captura y conversión de carbono
En un estudio publicado el 5 de septiembre en la revista ACSCatalysis, los investigadores revelan el poder oculto de cómo capturar y convertir dióxido de carbono mediante un único proceso electroquímico. El proceso implica el uso de electrodos para absorber el dióxido de carbono liberado de un adsorbente y convertirlo en una forma reducida y reutilizable.
Otros han informado de demostraciones similares, pero el mecanismo que impulsa la reacción electroquímica sigue sin estar claro. El equipo del MIT realizó numerosos experimentos para determinar este factor y descubrió que, en última instancia, depende de la presión parcial del dióxido de carbono. En otras palabras, cuanto más puro sea el dióxido de carbono en contacto con el electrodo, más eficientemente éste podrá capturar y convertir moléculas de dióxido de carbono.
Comprender este impulsor principal, o "especies activas", podría 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 de este estudio sugieren que, si bien estos sistemas electroquímicos pueden no ser adecuados para entornos muy enrarecidos (por ejemplo, capturar y convertir emisiones de carbono directamente del aire), sí lo son para las altas concentraciones de emisiones producidas por procesos industriales, particularmente aquellos para los que no existen alternativas renovables obvias.
"Podemos y debemos cambiar a energía renovable para la generación de electricidad", dijo el autor del estudio Betar Gallant, profesor asociado de desarrollo profesional del MIT en 1922. "Pero la descarbonización profunda de industrias como la producción de cemento o acero es un desafío y llevará más tiempo. Incluso si retiramos todas las plantas de energía, necesitaremos algunas soluciones para abordar las emisiones en otras industrias en el corto plazo antes de que podamos descarbonizarlas por completo. Ahí es donde vemos un punto óptimo, y algo como este sistema podría encajar en ese punto óptimo".
Los coautores del estudio del MIT incluyen al autor principal, el postdoctorado Graham Leverick y la estudiante de posgrado Elizabeth Bernhardt, así como a Athea Iliani-Esse de la Universidad Sunway en Malasia. Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman y Mohamed Kheireddine Aroua.
Conozca el proceso de captura de carbono
La tecnología de captura de carbono está diseñada para capturar emisiones o "conductos de humos" de las chimeneas de las centrales eléctricas y las instalaciones de fabricación. Las emisiones se dirigen, principalmente a través de grandes adaptaciones, a una cámara que contiene una solución de "captura" (una mezcla de aminas o compuestos amino que se combinan químicamente con dióxido de carbono para crear una forma estable que puede separarse del resto de los gases de combustión).
Luego, el dióxido de carbono capturado se trata a altas temperaturas, a menudo utilizando vapor generado a partir de combustibles fósiles, para liberar el dióxido de carbono atrapado de sus enlaces amina. El gas dióxido de carbono puro puede bombearse a tanques de almacenamiento o al subsuelo, mineralizarse o convertirse posteriormente en productos químicos o combustibles.
"La captura de carbono es una tecnología madura y su química tiene unos 100 años de antigüedad, pero requiere instalaciones realmente grandes y su funcionamiento es bastante caro y consume mucha energía", señala Gallant. "Lo que necesitamos es una tecnología más modular y flexible que pueda adaptarse a fuentes más diversas de dióxido de carbono. Los sistemas electroquímicos pueden ayudar a resolver este problema".
Su grupo de investigación en el MIT está desarrollando un sistema electroquímico que puede reciclar el dióxido de carbono capturado y convertirlo en productos reducidos y utilizables. Un sistema integrado de este tipo, en lugar de uno separado, podría funcionar enteramente con energía renovable en lugar de vapor generado a partir de combustibles fósiles, afirmó.
Su concepto se centra en un electrodo que puede caber en la cavidad de una solución de captura de carbono existente. Cuando se aplica un voltaje al electrodo, los electrones fluyen hacia la forma activa de dióxido de carbono y se convierten en productos utilizando protones suministrados por el agua. De esta manera, el adsorbente puede absorber más dióxido de carbono en lugar de utilizar vapor para absorber el dióxido de carbono.
Gallant ha demostrado previamente que este proceso electroquímico puede capturar dióxido de carbono y convertirlo en una forma de carbonato sólido. "En conceptos muy tempranos demostramos que este proceso electroquímico era posible", dijo. "Desde entonces, se han realizado otros estudios centrados en el uso de este proceso para intentar producir sustancias químicas y combustibles útiles. Pero ha habido explicaciones inconsistentes sobre cómo funcionan estas reacciones".
El papel del "dióxido de carbono por sí solo"
En el nuevo estudio, el equipo de investigación del MIT utilizó una lupa para observar las reacciones específicas que impulsan los procesos electroquímicos. En el laboratorio, generaron soluciones de aminas similares a las soluciones de captura industriales utilizadas para extraer dióxido de carbono de los gases de combustión. Variaron metódicamente varias propiedades de cada solución, como el pH, la concentración y el tipo de amina, y luego hicieron pasar cada solución a través de un electrodo de plata, un metal ampliamente utilizado en la investigación de la electrólisis y conocido por convertir eficientemente el dióxido de carbono en monóxido de carbono. Luego midieron la concentración de monóxido de carbono convertido al final de la reacción y compararon ese número con el de cada una de las otras soluciones que probaron para determinar qué parámetro tuvo el mayor impacto 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 el dióxido de carbono en primer lugar, como muchos sospechaban. Más bien, lo más importante es la concentración de moléculas de dióxido de carbono que flotan libremente en la solución y que evita la unión a las aminas. Este "dióxido de carbono por sí solo" determina la concentración final de monóxido de carbono producido.
"Descubrimos que este CO2 'solo' reacciona más fácilmente que el CO2 capturado por las aminas", dijo Leverick. "Esto les dice a los futuros investigadores que este proceso es factible en flujos industriales y puede capturar eficientemente altas concentraciones de CO2 y convertirlas en productos químicos y combustibles útiles".
"No se trata de una tecnología de eliminación, lo cual es importante", subraya Gallant. "El valor que aporta es que nos permite reciclar CO2 muchas veces manteniendo los procesos industriales existentes, reduciendo así las emisiones asociadas. En última instancia, mi sueño es utilizar sistemas electroquímicos para promover la mineralización y el almacenamiento permanente de CO2, que es una verdadera tecnología de eliminación. Esta es una visión a más largo plazo. Y gran parte de la ciencia que estamos empezando a comprender es el primer paso en el diseño de estos procesos".