Dióxido de carbono supercrítico ( s CO
2) es un estado fluido del dióxido de carbono en el que se mantiene a su temperatura y presión críticas o por encima de ellas .
El dióxido de carbono generalmente se comporta como un gas en el aire a temperatura y presión estándar (STP), o como un sólido llamado hielo seco cuando se enfría y/o presuriza lo suficiente. Si la temperatura y la presión aumentan desde STP hasta llegar al punto crítico o por encima del mismo, el dióxido de carbono puede adoptar propiedades a medio camino entre un gas y un líquido . Más específicamente, se comporta como un fluido supercrítico por encima de su temperatura crítica (304,128 K, 30,9780 °C, 87,7604 °F) [1] y presión crítica (7,3773 MPa, 72,808 atm, 1070,0 psi, 73,773 bar), [1] expandiéndose a llena su recipiente como un gas pero con una densidad similar a la de un líquido.
CO supercrítico
2se está convirtiendo en un importante disolvente comercial e industrial debido a su papel en la extracción química , además de su relativamente baja toxicidad e impacto ambiental. La temperatura relativamente baja del proceso y la estabilidad del CO
2También permite extraer compuestos con poco daño o desnaturalización . Además, la solubilidad de muchos compuestos extraídos en CO
2varía con la presión, [2] permitiendo extracciones selectivas.
El dióxido de carbono está ganando popularidad entre los fabricantes de café que buscan alejarse de los disolventes descafeinados clásicos . CO2 _
2Se fuerza a través de los granos de café verdes que luego se rocían con agua a alta presión para eliminar la cafeína. Luego, la cafeína se puede aislar para su reventa (por ejemplo, a fabricantes de productos farmacéuticos o de bebidas) haciendo pasar el agua a través de filtros de carbón activado o mediante destilación , cristalización u ósmosis inversa . El dióxido de carbono supercrítico se utiliza para eliminar pesticidas organoclorados y metales de cultivos agrícolas sin adulterar los componentes deseados de la materia vegetal en la industria de suplementos a base de hierbas . [3]
El dióxido de carbono supercrítico se puede utilizar como un disolvente para limpieza en seco más respetuoso con el medio ambiente que los disolventes tradicionales como los clorocarbonos , incluido el percloroetileno . [4]
El dióxido de carbono supercrítico se utiliza como disolvente de extracción para la creación de aceites esenciales y otros destilados de hierbas . [5] Sus principales ventajas sobre disolventes como el hexano y la acetona en este proceso son que no es inflamable y no deja residuos tóxicos. Además, la separación de los componentes de la reacción del material de partida es mucho más sencilla que con los disolventes orgánicos tradicionales . El co
2puede evaporarse en el aire o reciclarse por condensación en un recipiente de recuperación. Su ventaja sobre la destilación al vapor es que opera a una temperatura más baja, lo que puede separar las ceras vegetales de los aceites. [6]
En laboratorios , s CO
2se utiliza como disolvente de extracción, por ejemplo para determinar el total de hidrocarburos recuperables de suelos, sedimentos, cenizas volantes y otros medios, [7] y para la determinación de hidrocarburos aromáticos policíclicos en suelos y desechos sólidos. [8] La extracción con fluidos supercríticos se ha utilizado para determinar los componentes de hidrocarburos en el agua. [9]
Procesos que utilizan s CO
2Se están desarrollando sistemas para producir partículas a micro y nanoescala , a menudo para usos farmacéuticos . El proceso antisolvente gaseoso , la expansión rápida de soluciones supercríticas y la precipitación antisolvente supercrítica (así como varios métodos relacionados) procesan una variedad de sustancias en partículas. [10]
Debido a su capacidad para disolver selectivamente compuestos orgánicos y ayudar al funcionamiento de las enzimas, el CO
2Se ha sugerido como un solvente potencial para sustentar la actividad biológica en Venus , o planetas tipo súper Tierra . [11]
Se fabrican sustitutos de bajo costo y beneficiosos para el medio ambiente para el termoplástico rígido y la cerámica cocida utilizando s CO
2como reactivo químico . El CO
2En estos procesos reacciona con los componentes alcalinos del cemento hidráulico o del yeso completamente endurecido para formar diversos carbonatos. [12] El subproducto principal es el agua.
CO2 _
2Se utiliza en la formación de espuma de polímeros . El dióxido de carbono supercrítico puede saturar el polímero con disolvente. Tras la despresurización y el calentamiento, el dióxido de carbono se expande rápidamente, provocando huecos dentro de la matriz polimérica, es decir, creando una espuma . Se están realizando investigaciones sobre espumas microcelulares.
Se promueve una carboxilación electroquímica de un cloruro de para- isobutilbencilo a ibuprofeno bajo s CO
2. [13]
CO2 _
2Es químicamente estable, confiable, de bajo costo, no inflamable y fácilmente disponible, lo que lo convierte en un fluido de trabajo candidato deseable para ciclos transcríticos . [14]
El CO2 supercrítico se utiliza como fluido de trabajo en bombas de calor de agua doméstica . Fabricadas y ampliamente utilizadas, las bombas de calor están disponibles para calefacción y refrigeración doméstica y comercial. [14] Mientras que algunas de las bombas de calor de agua domésticas más comunes eliminan el calor del espacio en el que se encuentran, como un sótano o un garaje, los calentadores de agua con bomba de calor de CO2 suelen estar ubicados en el exterior, donde eliminan el calor del aire exterior. . [14]
Las propiedades únicas del s CO
2presentan ventajas para la generación de energía de circuito cerrado y pueden aplicarse a aplicaciones de generación de energía. Los sistemas de generación de energía que utilizan ciclos tradicionales Brayton de aire y Rankine de vapor pueden utilizar CO
2para aumentar la eficiencia y la producción de energía.
El relativamente nuevo ciclo de energía Allam utiliza sCO 2 como fluido de trabajo en combinación con combustible y oxígeno puro. El CO 2 producido por la combustión se mezcla con el fluido de trabajo sCO 2 . Se debe eliminar del proceso una cantidad correspondiente de CO2 puro ( para uso industrial o secuestro). Este proceso reduce las emisiones atmosféricas a cero.
El sCO 2 promete mejoras sustanciales en la eficiencia. Debido a su alta densidad de fluido, el sCO 2 permite turbomáquinas compactas y eficientes. Puede utilizar diseños de cuerpo de carcasa única más simples, mientras que las turbinas de vapor requieren múltiples etapas de turbina y carcasas asociadas, así como tuberías de entrada y salida adicionales. La alta densidad permite una tecnología de intercambiador de calor basada en microcanales más compacta. [15]
Para la energía solar concentrada , la temperatura crítica del dióxido de carbono no es lo suficientemente alta para obtener la máxima eficiencia de conversión de energía. Las plantas solares térmicas suelen estar situadas en zonas áridas, por lo que es imposible enfriar el disipador de calor a temperaturas subcríticas. Por lo tanto, se están desarrollando mezclas de dióxido de carbono supercrítico , con temperaturas críticas más altas, para mejorar la producción de electricidad mediante energía solar concentrada.
Además, debido a su estabilidad térmica superior y a su no inflamabilidad, es posible el intercambio de calor directo desde fuentes de alta temperatura, lo que permite temperaturas más altas del fluido de trabajo y, por lo tanto, una mayor eficiencia del ciclo. A diferencia del flujo bifásico, la naturaleza monofásica del s CO
2elimina la necesidad de un aporte de calor para el cambio de fase que se requiere para la conversión de agua a vapor, eliminando así también la fatiga térmica y la corrosión asociadas. [dieciséis]
El uso de s CO
2presenta problemas de ingeniería de corrosión , selección de materiales y diseño. Los materiales de los componentes de generación de energía deben mostrar resistencia a los daños causados por altas temperaturas , oxidación y fluencia . Los materiales candidatos que cumplen con estos objetivos de propiedades y rendimiento incluyen aleaciones habituales en la generación de energía, como superaleaciones a base de níquel para componentes de turbomaquinaria y aceros inoxidables austeníticos para tuberías. Componentes dentro de s CO
2Los bucles Brayton sufren corrosión y erosión, específicamente erosión en turbomaquinaria y componentes de intercambiadores de calor recuperativos y corrosión intergranular y picaduras en las tuberías. [17]
Se han realizado pruebas en aleaciones basadas en Ni, aceros austeníticos, aceros ferríticos y cerámicas candidatas para determinar su resistencia a la corrosión en s CO .
2ciclos. El interés en estos materiales deriva de su formación de capas protectoras de óxido en la superficie en presencia de dióxido de carbono; sin embargo, en la mayoría de los casos se requiere una evaluación adicional de la mecánica de reacción y la cinética y los mecanismos de corrosión/erosión, ya que ninguno de los materiales cumple con los objetivos necesarios. . [18] [19]
En 2016, General Electric anunció una turbina basada en sCO 2 que permitía una eficiencia del 50 % en la conversión de energía térmica en energía eléctrica. En él el CO 2 se calienta a 700 °C. Requiere menos compresión y permite la transferencia de calor. Alcanza su máxima potencia en 2 minutos, mientras que las turbinas de vapor necesitan al menos 30 minutos. El prototipo generó 10 MW y tiene aproximadamente un 10% del tamaño de una turbina de vapor comparable. [20] La planta piloto de energía eléctrica transformacional supercrítica (STEP) de 10 MW y 155 millones de dólares se completó en 2023 en San Antonio. Tiene el tamaño de un escritorio y puede alimentar alrededor de 10.000 hogares. [21]
Se está trabajando para desarrollarse como CO
2 turbina de gas de ciclo cerrado para operar a temperaturas cercanas a 550 °C. Esto tendría implicaciones para la generación térmica y nuclear de electricidad, porque las propiedades supercríticas del dióxido de carbono a más de 500 °C y 20 MPa permiten eficiencias térmicas cercanas al 45 por ciento. Esto podría aumentar la energía eléctrica producida por unidad de combustible requerida en un 40 por ciento o más. Dado el volumen de combustibles de carbono utilizados en la producción de electricidad, el impacto ambiental del aumento de la eficiencia del ciclo sería significativo. [22]
CO supercrítico
2es un refrigerante natural emergente, utilizado en nuevas soluciones bajas en carbono para bombas de calor domésticas . CO supercrítico
2Las bombas de calor se comercializan comercialmente en Asia. Los sistemas EcoCute de Japón, desarrollados por Mayekawa, generan agua doméstica a alta temperatura con pequeños aportes de energía eléctrica al trasladar calor del entorno al sistema. [23]
CO supercrítico
2se ha utilizado desde la década de 1980 para mejorar la recuperación en campos petroleros maduros.
Están surgiendo tecnologías de " carbón limpio " que podrían combinar estos métodos de recuperación mejorados con el secuestro de carbono . Utilizando gasificadores en lugar de hornos convencionales, el carbón y el agua se reducen a gas hidrógeno, dióxido de carbono y cenizas. Este gas hidrógeno se puede utilizar para producir energía eléctrica en turbinas de gas de ciclo combinado , CO
2se captura, se comprime al estado supercrítico y se inyecta en un almacenamiento geológico, posiblemente en campos petroleros existentes para mejorar los rendimientos. [24] [25] [26]
CO supercrítico
2se puede utilizar como fluido de trabajo para la generación de electricidad geotérmica tanto en sistemas geotérmicos mejorados [27] [28] [29] [30] como en sistemas geotérmicos sedimentarios (los llamados CO
2Penacho geotérmico). [31] [32] Los sistemas EGS utilizan un yacimiento fracturado artificialmente en la roca del basamento, mientras que los sistemas CPG utilizan yacimientos sedimentarios menos profundos y naturalmente permeables. Posibles ventajas del uso de CO
2en un yacimiento geológico, en comparación con el agua, incluyen un mayor rendimiento energético resultante de su menor viscosidad, mejor interacción química y CO permanente.
2almacenamiento ya que el depósito debe llenarse con grandes masas de CO
2. Hasta 2011, el concepto no se había probado en el campo. [33]
El dióxido de carbono supercrítico se utiliza en la producción de aerogeles a base de sílice, carbono y metales . Por ejemplo, se forma un gel de dióxido de silicio y luego se expone a s CO
2. Cuando el CO
2se vuelve supercrítico, se elimina toda la tensión superficial, lo que permite que el líquido salga del aerogel y produzca poros de tamaño nanométrico. [34]
CO supercrítico
2es una alternativa para la esterilización térmica de materiales biológicos y dispositivos médicos con combinación del aditivo ácido peracético (PAA). CO supercrítico
2no esteriliza los medios, porque no mata las esporas de los microorganismos. Además, este proceso es suave, ya que se conservan la morfología, la ultraestructura y los perfiles proteicos de los microbios inactivados. [35]
CO supercrítico
2Se utiliza en ciertos procesos de limpieza industrial .