La meteorización mejorada , también denominada mejora de la alcalinidad del océano cuando se propone para los sistemas de créditos de carbono , es un proceso que tiene como objetivo acelerar la meteorización natural al esparcir rocas de silicato finamente molidas , como el basalto , sobre superficies que aceleran las reacciones químicas entre las rocas, el agua y el aire. También elimina el dióxido de carbono (CO 2 ) de la atmósfera, almacenándolo permanentemente en minerales de carbonato sólido o en la alcalinidad del océano . [1] Esta última también ralentiza la acidificación del océano .
La meteorización mejorada es un método químico para eliminar el dióxido de carbono que implica técnicas terrestres o marinas. Un ejemplo de una técnica de meteorización mejorada terrestre es la carbonatación in situ de silicatos. La roca ultramáfica , por ejemplo, tiene el potencial de almacenar cientos o miles de años de emisiones de CO2 , según las estimaciones. [2] [3] Las técnicas marinas implican la mejora de la alcalinidad, como la molienda, dispersión y disolución de olivino, piedra caliza, silicatos o hidróxido de calcio para abordar la acidificación de los océanos y el secuestro de CO2 . [ 4]
Aunque al principio se pueden utilizar los relaves mineros existentes [5] o los minerales de silicato alcalinos industriales (como escorias de acero, desechos de construcción y demolición o cenizas de la incineración de biomasa), [6] con el tiempo podría ser necesario extraer más basalto para limitar el cambio climático . [7]
Se ha propuesto la meteorización mejorada para el secuestro de carbono tanto terrestre como oceánico . La organización sin fines de lucro Project Vesta está probando métodos oceánicos para ver si son ambiental y económicamente viables. [8] [9]
En julio de 2020, un grupo de científicos evaluó que la técnica de geoingeniería de meteorización mejorada de rocas, es decir, esparcir basalto finamente triturado en los campos, tiene un uso potencial para la eliminación de dióxido de carbono por parte de las naciones, identificando costos, oportunidades y desafíos de ingeniería. [10] [11]
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La meteorización es el proceso natural de disolución de rocas y minerales por la acción del agua, el hielo, los ácidos, las sales, las plantas, los animales y los cambios de temperatura. [12] Es mecánica (rotura de la roca, también llamada meteorización física o desagregación) y química (cambio de los compuestos químicos en las rocas). [12] La meteorización biológica es una forma de meteorización (mecánica o química) por parte de plantas, hongos u otros organismos vivos. [12]
La meteorización química puede producirse por diferentes mecanismos, dependiendo principalmente de la naturaleza de los minerales involucrados. Esto incluye la meteorización por disolución , hidratación , hidrólisis y oxidación . [13] La meteorización por carbonatación es un tipo particular de meteorización por disolución. [13]
Los minerales de carbonato y silicato son ejemplos de minerales afectados por la erosión por carbonatación. Cuando los minerales de silicato o carbonato se exponen al agua de lluvia o al agua subterránea, se disuelven lentamente debido a la erosión por carbonatación: es decir, el agua (H 2 O) y el dióxido de carbono (CO 2 ) presentes en la atmósfera forman ácido carbónico (H 2 CO 3 ) mediante la reacción: [12] [14]
Este ácido carbónico ataca entonces al mineral para formar iones de carbonato en solución con el agua que no ha reaccionado. Como resultado de estas dos reacciones químicas (carbonatación y disolución), los minerales, el agua y el dióxido de carbono se combinan, lo que altera la composición química de los minerales y elimina el CO2 de la atmósfera. Por supuesto, estas son reacciones reversibles, por lo que si el carbonato encuentra iones H de ácidos, como en los suelos, reaccionarán para formar agua y liberarán CO2 de nuevo a la atmósfera. La aplicación de piedra caliza (un carbonato de calcio) a suelos ácidos neutraliza los iones H pero libera CO2 de la piedra caliza [ aclaración necesaria ] .
En particular, la forsterita (un mineral de silicato) se disuelve a través de la reacción:
donde "(s)" indica una sustancia en estado sólido y "(aq)" indica una sustancia en solución acuosa .
En cambio, la calcita (un mineral de carbonato) se disuelve a través de la reacción:
Aunque parte del bicarbonato disuelto puede reaccionar con los ácidos del suelo durante su paso a través del perfil del suelo hasta el agua subterránea, el agua con iones de bicarbonato disueltos (HCO 3 − ) finalmente termina en el océano, [14] donde los iones de bicarbonato se biomineralizan en minerales de carbonato para conchas y esqueletos a través de la reacción:
Luego, los minerales de carbonato finalmente se hunden desde la superficie del océano hasta el fondo del océano. [14] La mayor parte del carbonato se redisuelve en las profundidades del océano a medida que se hunde.
Se cree que estos procesos estabilizan el clima de la Tierra a lo largo de períodos geológicos . [15] La relación entre el dióxido de carbono en la atmósfera como gas (CO 2 ) y la cantidad de dióxido de carbono convertido en carbonato está regulada por un equilibrio químico : en caso de un cambio de este estado de equilibrio, se necesitan teóricamente (si no se produce ninguna otra alteración durante este tiempo) miles de años para establecer un nuevo estado de equilibrio. [14]
En el caso de la meteorización de silicatos, el efecto neto teórico de la disolución y la precipitación es 1 mol de CO2 secuestrado por cada mol de Ca2 + o Mg2 + erosionado del mineral. Dado que algunos de los cationes disueltos reaccionan con la alcalinidad existente en la solución para formar iones CO32− , la relación no es exactamente 1:1 en los sistemas naturales, sino que es una función de la temperatura y la presión parcial de CO2 . El secuestro neto de CO2 de la reacción de meteorización de carbonatos y la reacción de precipitación de carbonatos es cero. [ aclaración necesaria ]
Se cree que la meteorización y la precipitación biológica de carbonatos están débilmente acopladas en períodos cortos (<1000 años). Por lo tanto, un aumento tanto de la meteorización de carbonatos como de silicatos con respecto a la precipitación de carbonatos dará como resultado una acumulación de alcalinidad en el océano. [ Aclaración necesaria ]
El término meteorización mejorada se utilizó inicialmente para referirse específicamente a la propagación de minerales de silicato triturados sobre la superficie terrestre. [16] [17] Se ha demostrado que la actividad biológica en los suelos promueve la disolución de minerales de silicato, [18] pero aún existe incertidumbre sobre la rapidez con la que esto puede suceder. Debido a que la tasa de meteorización es una función de la saturación del mineral disuelto en solución (disminuyendo a cero en soluciones completamente saturadas), algunos han sugerido que la falta de lluvia puede limitar la meteorización mejorada terrestre, [19] aunque otros [20] sugieren que la formación de minerales secundarios o la absorción biológica pueden suprimir la saturación y promover la meteorización.
La cantidad de energía necesaria para la trituración depende de la velocidad a la que se disuelven los minerales (se requiere menos trituración para una disolución rápida de los minerales). Un estudio de 2012 sugirió que existe una amplia gama de costos potenciales de una mayor meteorización, en gran medida debido a la incertidumbre que rodea las velocidades de disolución de los minerales. [21]
Para superar las limitaciones de la saturación de la solución y utilizar la trituración natural de las partículas de arena a partir de la energía de las olas, se pueden aplicar minerales de silicato en entornos costeros, [22] aunque el pH más alto del agua de mar puede reducir sustancialmente la tasa de disolución, [23] y no está claro cuánta trituración es posible a partir de la acción de las olas.
Como alternativa, se ha investigado la aplicación directa de minerales carbonatados en las regiones de afloramiento del océano. [24] Los minerales carbonatados están sobresaturados en la superficie del océano, pero subsaturados en las profundidades. En las zonas de afloramiento, esta agua subsaturada es llevada a la superficie. Si bien es probable que esta tecnología sea barata, el potencial máximo anual de secuestro de CO2 es limitado.
Se ha propuesto como tecnología alternativa la transformación de los minerales de carbonato en óxidos y su esparcimiento en el océano abierto ("cal marina"). [25] En este caso, el mineral de carbonato (CaCO3 ) se transforma en cal (CaO) mediante calcinación . Los requisitos energéticos para esta tecnología son sustanciales.
La disolución y carbonatación mejorada de silicatos ( "carbonatación mineral" ) fue propuesta por primera vez por Seifritz en 1990, [26] y desarrollada inicialmente por Lackner et al. [27] y luego por el Centro de Investigación de Albany . [28] Esta investigación temprana investigó la carbonatación de silicatos extraídos y triturados a temperaturas elevadas (~180 °C) y presiones parciales de CO 2 (~15 MPa) dentro de reactores controlados ("carbonatación mineral ex situ"). Algunas investigaciones exploran el potencial de la "carbonatación mineral in situ" en la que el CO 2 se inyecta en formaciones rocosas de silicato para promover la formación de carbonato bajo tierra (ver: CarbFix ).
La investigación sobre carbonatación mineral se ha centrado principalmente en el secuestro de CO2 de los gases de combustión . Podría utilizarse para la geoingeniería si la fuente de CO2 se derivara de la atmósfera, por ejemplo, mediante captura directa de aire o captura y almacenamiento de carbono mediante biomasa .
La remineralización del suelo contribuye a mejorar el proceso de meteorización. Mezclar el suelo con rocas trituradas, como silicatos, no solo beneficia la salud de las plantas, sino también el secuestro de carbono cuando hay calcio o magnesio presentes. [29] Remineralize The Earth es una organización sin fines de lucro que promueve la aplicación de polvo de roca como fertilizantes naturales en los campos agrícolas para restaurar los suelos con minerales, mejorar la calidad de la vegetación y aumentar el secuestro de carbono.
En los casos en que se dispone de abundante excedente de electricidad, se ha propuesto [30] la disolución electrolítica de minerales de silicato y se ha demostrado experimentalmente. El proceso se asemeja a la erosión de algunos minerales. Además, el hidrógeno producido sería carbono-negativo. [31]
En un análisis técnico-económico de 2020, el costo de utilizar este método en tierras de cultivo se estimó en US$80-180 por tonelada de CO2 . Esto es comparable con otros métodos de eliminación de dióxido de carbono de la atmósfera actualmente disponibles (BECCS (US$100-200 por tonelada de CO2 ) , bioenergía con captura y almacenamiento de carbono ) y captura y almacenamiento directos de aire en implementaciones a gran escala e insumos energéticos de bajo costo (US$100-300 por tonelada de CO2 ) . En contraste, el costo de la reforestación se estimó inferior a US$100 por tonelada de CO2 . [ 32]
UNDO, una empresa de meteorización mejorada con sede en el Reino Unido, esparce rocas de silicato trituradas, como basalto y wollastonita, en tierras agrícolas en el Reino Unido, Canadá y Australia. Afirman haber esparcido más de 200.000 toneladas de rocas trituradas hasta la fecha, que capturarán más de 40.000 toneladas de CO2 a medida que sus rocas se erosionan. En marzo de 2024, publicaron un artículo revisado por pares [33] en asociación con la Universidad de Newcastle en la revista PLOS ONE sobre los cobeneficios agronómicos del basalto triturado en un clima templado. Son uno de los 20 finalistas del XPRIZE Carbon Removal [34] , una competencia de $100 millones organizada por la Fundación Musk .
Una empresa irlandesa llamada Silicate ha realizado pruebas en Irlanda y en 2023 las realizará en Estados Unidos, cerca de Chicago. Utiliza hormigón triturado hasta convertirlo en polvo y lo esparce sobre tierras de cultivo en una proporción de 500 toneladas por cada 50 hectáreas, con el objetivo de capturar 100 toneladas de CO2 al año en esa zona. La empresa, que afirma que mejora la calidad del suelo y la productividad de los cultivos, vende créditos de eliminación de carbono para financiar los costes. La financiación inicial del proyecto piloto procede del dinero del premio concedido a la empresa emergente por el Desafío de Agricultura Climáticamente Inteligente THRIVE/Shell. [35] [36]