Los sorbentes sólidos para la captura de carbono incluyen una amplia gama de materiales porosos en fase sólida , como sílices mesoporosas , zeolitas y estructuras metalorgánicas . Estos tienen el potencial de funcionar como alternativas más eficientes a los procesos de tratamiento de gases de amina para eliminar selectivamente el CO2 de fuentes estacionarias grandes, incluidas las centrales eléctricas . [1] Si bien el nivel de preparación tecnológica de los adsorbentes sólidos para la captura de carbono varía entre los niveles de investigación y demostración, se ha demostrado que los adsorbentes sólidos son comercialmente viables para aplicaciones de soporte vital y de destilación criogénica . Si bien los adsorbentes sólidos adecuados para la captura y el almacenamiento de carbono son un área activa de investigación dentro de la ciencia de los materiales , importantes obstáculos tecnológicos y de políticas limitan la disponibilidad de dichas tecnologías.
La combustión de combustibles fósiles genera más de 13 gigatoneladas de CO2 al año. [2] La preocupación por los efectos del CO2 en relación con el cambio climático y la acidificación de los océanos llevó a los gobiernos y a las industrias a investigar la viabilidad de tecnologías que capturen el CO2 resultante y lo eviten al ingresar al ciclo del carbono . En el caso de las nuevas centrales eléctricas, tecnologías como la precombustión y la combustión con oxicombustible pueden simplificar el proceso de separación de gases .
Sin embargo, las centrales eléctricas existentes requieren la separación posterior a la combustión del CO 2 de los gases de combustión con un depurador . En un sistema de este tipo, los combustibles fósiles se queman con aire y el CO 2 se elimina selectivamente de una mezcla de gases que también contiene N 2 , H 2 O , O 2 y trazas de azufre , nitrógeno e impurezas metálicas . Si bien las condiciones exactas de separación dependen del combustible y la tecnología, en general el CO 2 está presente en bajas concentraciones (4-15% v/v ) en mezclas de gases cerca de la presión atmosférica y a temperaturas de aproximadamente -60 °C. [3] Los absorbentes para la captura de carbono se regeneran utilizando temperatura , presión o vacío , de modo que el CO 2 se puede recolectar para su secuestro o utilización y el absorbente se puede reutilizar.
El mayor impedimento para la captura de carbono es la gran cantidad de electricidad necesaria. [4] Sin incentivos políticos o fiscales , la producción de electricidad de dichas plantas no es competitiva con otras fuentes de energía. [5] El mayor costo operativo de las plantas de energía con captura de carbono es la reducción en la cantidad de electricidad producida, [6] porque la energía en forma de vapor se desvía de la producción de electricidad en las turbinas a la regeneración del sorbente. Por lo tanto, minimizar la cantidad de energía necesaria para la regeneración del sorbente es el objetivo principal detrás de gran parte de la investigación sobre captura de carbono.
Existe una gran incertidumbre en torno al costo total de la captura de CO2 posterior a la combustión , ya que aún no se han realizado demostraciones a gran escala de la tecnología. [8] Por lo tanto, cuando se hacen comparaciones entre diferentes adsorbentes, generalmente se recurre a métricas de desempeño individuales. [9]
Energía de regeneración: generalmente se expresa en energía consumida por peso de CO2 capturado (por ejemplo, 3000 kJ/kg). Estos valores, si se calculan directamente a partir de los componentes de calor latente y sensible de la regeneración, miden la cantidad total de energía necesaria para la regeneración. [10]
Energía parásita: similar a la energía de regeneración, pero mide cuánta energía utilizable se pierde. Debido a la eficiencia térmica imperfecta de las centrales eléctricas, no todo el calor necesario para regenerar el sorbente habría producido electricidad. [11]
Capacidad de adsorción: la cantidad de CO 2 adsorbida en el material en las condiciones de adsorción relevantes.
Capacidad de trabajo : cantidad de CO2 que se puede esperar que sea capturada por una cantidad específica de adsorbente durante un ciclo de adsorción-desorción. Este valor es generalmente más relevante que la capacidad de adsorción total.
Selectividad: capacidad calculada de un adsorbente para adsorber preferentemente un gas en lugar de otro. Se han descrito múltiples métodos para informar la selectividad y, en general, los valores de un método no son comparables con los de otro. De manera similar, los valores están altamente correlacionados con la temperatura y la presión. [12]
Las soluciones acuosas de aminas absorben CO2 mediante la formación reversible de carbamato de amonio , carbonato de amonio y bicarbonato de amonio . [13] La formación de estas especies y su concentración relativa en solución depende de la amina o aminas específicas, así como de la temperatura y la presión de la mezcla de gases. A bajas temperaturas, el CO2 es absorbido preferentemente por las aminas y a altas temperaturas el CO2 es desorbido. Si bien las soluciones de aminas líquidas se han utilizado industrialmente para eliminar gases ácidos durante casi un siglo, la tecnología de depuración de aminas aún está en desarrollo a la escala requerida para la captura de carbono. [14]
Se han descrito múltiples ventajas de los sorbentes sólidos. A diferencia de las aminas, los sorbentes sólidos pueden adsorber selectivamente CO2 sin la formación de enlaces químicos ( fisisorción ). El calor de adsorción significativamente menor para los sólidos requiere menos energía para que el CO2 se desorba de la superficie del material. Además, generalmente se requieren dos moléculas de amina primaria o secundaria para absorber una sola molécula de CO2 en líquidos. Para superficies sólidas, se pueden adsorber grandes capacidades de CO2. Para los procesos de adsorción por oscilación de temperatura, se ha descrito que la menor capacidad térmica de los sólidos reduce la energía sensible requerida para la regeneración del sorbente. [ 9] Muchas preocupaciones ambientales sobre las aminas líquidas se pueden eliminar mediante el uso de adsorbentes sólidos. [5]
Se espera que los costos de fabricación sean significativamente mayores que el costo de las aminas simples. Debido a que el gas de combustión contiene impurezas traza que degradan los sorbentes, los sorbentes sólidos pueden resultar prohibitivamente caros. Se deben superar importantes desafíos de ingeniería. La energía sensible requerida para la regeneración del sorbente no se puede recuperar de manera efectiva si se utilizan sólidos, lo que contrarresta sus ahorros significativos de capacidad térmica. Además, la transferencia de calor a través de un lecho sólido es lenta e ineficiente, lo que hace que sea difícil y costoso enfriar el sorbente durante la adsorción y calentarlo durante la desorción. Por último, muchos adsorbentes sólidos prometedores se han medido solo en condiciones ideales, lo que ignora los efectos potencialmente significativos que puede tener el H 2 O en la capacidad de trabajo y la energía de regeneración.
El dióxido de carbono se adsorbe en cantidades apreciables en muchos materiales porosos a través de interacciones de van der Waals . En comparación con el N 2 , el CO 2 se adsorbe con mayor fuerza porque la molécula es más polarizable y posee un momento cuadrupolar mayor . [9] Sin embargo, los adsortivos más fuertes, incluido el H 2 O, a menudo interfieren con el mecanismo de adsorción física. Por lo tanto, el descubrimiento de materiales porosos que puedan unir selectivamente el CO 2 en condiciones de gases de combustión utilizando solo un mecanismo de adsorción física es un área de investigación activa.
Las zeolitas , una clase de sólidos de aluminosilicato poroso , se utilizan actualmente en una amplia variedad de aplicaciones industriales y comerciales, incluida la separación de CO2 . Las capacidades y selectividades de muchas zeolitas se encuentran entre las más altas para los adsorbentes que dependen de la fisisorción. Por ejemplo, se ha informado que la zeolita Ca-A (5A) muestra una alta capacidad y selectividad para el CO2 sobre el N2 en condiciones relevantes para la captura de carbono de los gases de combustión del carbón, aunque no se ha probado en presencia de H2O . [ 15] Industrialmente, el CO2 y el H2O se pueden coadsorber en una zeolita, pero se requieren altas temperaturas y una corriente de gas seco para regenerar el sorbente. [11]
Los marcos metalorgánicos (MOF) son adsorbentes prometedores. [9] Se han reportado sorbentes que muestran un conjunto diverso de propiedades. Los MOF con áreas de superficie extremadamente grandes generalmente no se encuentran entre los mejores para la captura de CO 2 [9] en comparación con los materiales con al menos un sitio de adsorción que puede polarizar el CO 2 . Por ejemplo, los MOF con sitios de coordinación de metales abiertos funcionan como ácidos de Lewis y polarizan fuertemente el CO 2 . [16] Debido a la mayor polarizabilidad y momento cuadrupolar del CO 2 , el CO 2 se adsorbe preferentemente sobre muchos componentes de los gases de combustión como el N 2 . Sin embargo, los contaminantes de los gases de combustión como el H 2 O a menudo interfieren. Se han reportado MOF con tamaños de poro específicos, ajustados específicamente para adsorber preferentemente el CO 2 . [17]
Con frecuencia, los adsorbentes porosos con grandes áreas de superficie, pero solo sitios de adsorción débiles, carecen de capacidad suficiente para CO 2 en condiciones realistas. Para aumentar la capacidad de adsorción de CO 2 a baja presión , se ha informado que la adición de grupos funcionales de amina a materiales altamente porosos da como resultado nuevos adsorbentes con mayores capacidades. Esta estrategia se ha analizado para polímeros, sílices, carbones activados y estructuras metalorgánicas. [1] Los sólidos impregnados con amina utilizan la química ácido-base bien establecida del CO 2 con aminas, pero diluyen las aminas al contenerlas dentro de los poros de los sólidos en lugar de como soluciones de H 2 O. Se informa que los sólidos impregnados con amina mantienen su capacidad de adsorción y selectividad en condiciones de prueba húmedas mejor que las alternativas. Por ejemplo, un estudio de 2015 de 15 candidatos a adsorbentes sólidos para la captura de CO 2 encontró que en condiciones de adsorción de equilibrio multicomponente que simulaban gases de combustión húmedos, solo los adsorbentes funcionalizados con alquilaminas conservaban una capacidad significativa para CO 2 . [18]