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Un depurador de dióxido de carbono es un equipo que absorbe dióxido de carbono (CO 2 ). Se utiliza para tratar los gases de escape de plantas industriales o del aire exhalado en sistemas de soporte vital como rebreathers o en naves espaciales , naves sumergibles o cámaras herméticas . Los depuradores de dióxido de carbono también se utilizan en el almacenamiento en atmósfera controlada (CA). También se han investigado para la captura y almacenamiento de carbono como medio para combatir el cambio climático .
La aplicación principal de la depuración de CO 2 es la eliminación de CO 2 de los gases de escape de centrales eléctricas alimentadas con carbón y gas . Prácticamente la única tecnología que se está evaluando seriamente implica el uso de diversas aminas , por ejemplo la monoetanolamina . Las soluciones frías de estos compuestos orgánicos se unen al CO 2 , pero la unión se invierte a temperaturas más altas:
A partir de 2009 [actualizar], esta tecnología sólo se ha implementado ligeramente debido a los costos de capital de instalar la instalación y los costos operativos de utilizarla. [1]
Varios minerales y materiales similares a los minerales se unen de manera reversible al CO 2 . [2] Muy a menudo, estos minerales son óxidos o hidróxidos y, a menudo, el CO 2 está unido como carbonato. El dióxido de carbono reacciona con la cal viva (óxido de calcio) para formar piedra caliza ( carbonato de calcio ), [3] en un proceso llamado bucle de carbonato. Otros minerales incluyen serpentinita , un hidróxido de silicato de magnesio y olivino . [4] [5] Los tamices moleculares también funcionan en esta capacidad.
Se han propuesto varios procesos de depuración (cíclicos) para eliminar el CO 2 del aire o de los gases de combustión y liberarlos en un entorno controlado, revirtiendo el agente depurador. Generalmente implican el uso de una variante del proceso Kraft que puede estar basado en hidróxido de sodio . [6] [7] El CO 2 se absorbe en dicha solución, se transfiere a la cal (mediante un proceso llamado caustificación) y se libera nuevamente mediante el uso de un horno . Con algunas modificaciones a los procesos existentes (principalmente cambiando a un horno alimentado con oxígeno), el escape resultante se convierte en una corriente concentrada de CO 2 , lista para su almacenamiento o uso como combustible. Una alternativa a este proceso termoquímico es uno eléctrico que libera el CO 2 mediante la electrolización de la solución de carbonato. [8] Si bien es más simple, este proceso eléctrico consume más energía que la electrólisis y también divide el agua . Para evitar negar el beneficio ambiental del uso de la electrólisis en lugar del método del horno, la electricidad debe provenir de una fuente renovable (o menos emisiva que el horno que de otro modo sería necesario). Las primeras encarnaciones de la captura de CO 2 por motivos medioambientales utilizaban la electricidad como fuente de energía y, por tanto, dependían de la energía verde. Algunos sistemas térmicos de captura de CO 2 utilizan calor generado in situ, lo que reduce las ineficiencias resultantes de la producción de electricidad fuera del sitio, pero aún necesitan una fuente de calor (verde) , que la energía nuclear o la energía solar concentrada podrían proporcionar. [9]
Zeman y Lackner describieron un método específico de captura de aire. [10]
Primero, el CO 2 es absorbido por una solución alcalina de NaOH para producir carbonato de sodio disuelto . La reacción de absorción es una reacción gas-líquido, fuertemente exotérmica, en este caso:
La caustificación se realiza de forma ubicua en la industria de la pulpa y el papel y transfiere fácilmente el 94% de los iones carbonato del catión sodio al calcio. [10] Posteriormente, el precipitado de carbonato de calcio se filtra de la solución y se descompone térmicamente para producir CO 2 gaseoso . La reacción de calcinación es la única reacción endotérmica del proceso y se muestra aquí:
La descomposición térmica de la calcita se realiza en un horno de cal alimentado con oxígeno para evitar una etapa adicional de separación de gases. La hidratación de la cal (CaO) completa el ciclo. La hidratación de la cal es una reacción exotérmica que se puede realizar con agua o vapor. Usando agua, es una reacción líquido/sólido como se muestra aquí:
Otras bases fuertes como la cal sodada , el hidróxido de sodio , el hidróxido de potasio y el hidróxido de litio son capaces de eliminar el dióxido de carbono al reaccionar químicamente con él. En particular, el hidróxido de litio se utilizó a bordo de naves espaciales , como en el programa Apolo , para eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera. Reacciona con dióxido de carbono para formar carbonato de litio . [11] Recientemente, la tecnología absorbente de hidróxido de litio se ha adaptado para su uso en máquinas de anestesia . Las máquinas de anestesia que proporcionan soporte vital y agentes inhalados durante la cirugía emplean típicamente un circuito cerrado que requiere la eliminación del dióxido de carbono exhalado por el paciente. El hidróxido de litio puede ofrecer algunos beneficios de seguridad y conveniencia sobre los productos más antiguos a base de calcio.
La reacción neta es:
También se puede utilizar peróxido de litio , ya que absorbe más CO 2 por unidad de peso con la ventaja adicional de liberar oxígeno. [12]
En los últimos años, el ortosilicato de litio ha atraído mucha atención hacia la captura de CO2 , así como hacia el almacenamiento de energía. [8] Este material ofrece considerables ventajas de rendimiento aunque requiere altas temperaturas para que se produzca la formación de carbonato.
El sistema regenerativo de eliminación de dióxido de carbono (RCRS) del orbitador del transbordador espacial utilizaba un sistema de dos lechos que proporcionaba una eliminación continua de dióxido de carbono sin productos fungibles. Los sistemas regenerables permitieron a una misión de transbordador permanecer más tiempo en el espacio sin tener que reponer sus botes de sorbente . Los sistemas más antiguos basados en hidróxido de litio (LiOH), que no son regenerables, fueron reemplazados por sistemas regenerables basados en óxidos metálicos . Un sistema basado en óxido metálico consistía principalmente en un recipiente absorbente de óxido metálico y un conjunto regenerador. Funcionó eliminando el dióxido de carbono utilizando un material absorbente y luego regenerando el material absorbente. El recipiente absorbente de óxido metálico se regeneró bombeando aire a aproximadamente 200 °C (392 °F) a través de él a un caudal estándar de 3,5 L/s (7,4 pies cúbicos/min) durante 10 horas. [13]
El carbón activado se puede utilizar como depurador de dióxido de carbono. El aire con alto contenido de dióxido de carbono, como el aire de los lugares de almacenamiento de frutas, puede pasar a través de lechos de carbón activado y el dióxido de carbono se adherirá al carbón activado [adsorción]. Una vez que el lecho está saturado , debe "regenerarse" soplando aire con bajo contenido de dióxido de carbono, como aire ambiente, a través del lecho. Esto liberará el dióxido de carbono del lecho y luego podrá usarse para fregar nuevamente, dejando la misma cantidad neta de dióxido de carbono en el aire que cuando se inició el proceso. [ cita necesaria ]
Las estructuras organometálicas son una de las nuevas tecnologías más prometedoras para la captura y secuestro de dióxido de carbono mediante adsorción . [14] Aunque hoy en día no existe ninguna tecnología comercial a gran escala, varios estudios de investigación han indicado el gran potencial que tienen los MOF como adsorbentes de CO 2 . Sus características, como la estructura de los poros y las funciones de la superficie, se pueden ajustar fácilmente para mejorar la selectividad del CO 2 con respecto a otros gases. [15]
Un MOF podría diseñarse específicamente para actuar como agente de eliminación de CO 2 en centrales eléctricas de postcombustión. En este escenario, el gas de combustión pasaría a través de un lecho lleno de material MOF, donde se eliminaría el CO 2 . Una vez alcanzada la saturación, el CO 2 podría desorberse realizando un cambio de presión o temperatura. Luego, el dióxido de carbono podría comprimirse a condiciones supercríticas para almacenarlo bajo tierra o utilizarlo en procesos mejorados de recuperación de petróleo . Sin embargo, esto aún no es posible a gran escala debido a varias dificultades, una de las cuales es la producción de MOF en grandes cantidades. [dieciséis]
Otro problema es la disponibilidad de los metales necesarios para sintetizar MOF. En un escenario hipotético en el que estos materiales se utilizan para capturar todo el CO 2 necesario para evitar problemas de calentamiento global, como mantener un aumento de la temperatura global de menos de 2 °C por encima de la temperatura media preindustrial, necesitaríamos más metales de los que están disponibles en el planeta. Tierra. Por ejemplo, para sintetizar todos los MOF que utilizan vanadio , necesitaríamos el 1620% de las reservas globales de 2010. Incluso si utilizáramos MOF a base de magnesio, que han demostrado una gran capacidad para adsorber CO 2 , necesitaríamos el 14% de las reservas globales de 2010, que es una cantidad considerable. Además, sería necesaria una minería extensiva, lo que generaría más problemas ambientales potenciales. [dieciséis]
En un proyecto patrocinado por el DOE y operado por UOP LLC en colaboración con profesores de cuatro universidades diferentes, se probaron los MOF como posibles agentes de eliminación de dióxido de carbono en gases de combustión posteriores a la combustión. Pudieron separar el 90% del CO 2 de la corriente de gases de combustión mediante un proceso de cambio de presión al vacío. A través de una extensa investigación, los investigadores descubrieron que el mejor MOF a utilizar era Mg/DOBDC, que tiene una capacidad de carga de CO 2 del 21,7% en peso. Las estimaciones mostraron que, si se aplicara un sistema similar a una planta de energía a gran escala, el costo de la energía aumentaría en un 65%, mientras que un sistema NETL basado en aminas de referencia causaría un aumento del 81% (la meta del DOE es del 35%). ). Además, cada tonelada de CO 2 evitada costaría $57, mientras que para el sistema de aminas este costo se estima en $72. El proyecto finalizó en 2010, estimándose que el capital total necesario para implementarlo en una central eléctrica de 580 MW era de 354 millones de dólares. [17]
Un cartucho de aire extendido (EAC) es una marca o tipo de recipiente absorbente de un solo uso precargado que se puede colocar en una cavidad receptora en un rebreather diseñado adecuadamente. [18]
Se han discutido muchos otros métodos y materiales para depurar el dióxido de carbono.
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: URL no apta ( enlace )El nuevo sistema basado en óxido metálico reemplaza el sistema existente de eliminación de dióxido de carbono (CO2) de hidróxido de litio (LiOH) no regenerable ubicado en el sistema de soporte vital primario de la EMU.