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Un depurador de dióxido de carbono es un equipo que absorbe dióxido de carbono (CO 2 ). Se utiliza para tratar gases de escape de plantas industriales o del aire exhalado en sistemas de soporte vital como rebreathers o en naves espaciales , embarcaciones 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 calentamiento global .

Tecnologías [ editar ]

Lavado de aminas [ editar ]

Artículo principal: tratamiento de gas amina

La aplicación principal para la depuración de CO 2 es la eliminación de CO
2de los gases de escape de carbón y gas plantas de energía . Prácticamente, la única tecnología que se está evaluando seriamente implica el uso de varias aminas , por ejemplo, monoetanolamina . Las soluciones frías de estos compuestos orgánicos se unen al CO 2 , pero la unión se invierte a temperaturas más altas:

CO 2 + 2 HOCH 2 CH 2 NH 2 ↔ HOCH 2 CH 2 NH 3 + + HOCH 2 CH 2 NHCO 2 -

A partir de 2009 , esta tecnología solo se ha implementado a la ligera debido a los costos de capital de instalación de la instalación y los costos operativos de su utilización. [1]

Minerales y zeolitas [ editar ]

Varios minerales y materiales similares a los minerales se unen de forma reversible al CO 2 . [2] La mayoría de las veces, 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 para eliminar el CO 2 del aire o de los gases de combustión. Por lo general, implican el uso de una variante del proceso Kraft . Los procesos de depuración pueden basarse en hidróxido de sodio . [6] [7] El CO 2 se absorbe en una solución, se transfiere a la cal mediante un proceso llamado caustificación y se libera en un horno . Con algunas modificaciones a los procesos existentes, principalmente un horno de oxígeno, el resultado final es una corriente concentrada de CO 2 lista para su almacenamiento o uso en combustibles. Una alternativa a este proceso termoquímico es uno eléctrico en el que se aplica un voltaje nominal a través de la solución de carbonato para liberar el CO2 . [ cita requerida ] Aunque es más simple, este proceso eléctrico consume más energía ya que divide el agua al mismo tiempo. Dado que depende de la electricidad, la electricidad debe ser renovable, como la fotovoltaica. De lo contrario, debe tenerse en cuenta el CO 2 producido durante la producción de electricidad. Las primeras encarnaciones de la captura de aire utilizaban la electricidad como fuente de energía; por lo tanto, dependían de una fuente libre de carbono. Los sistemas de captura de aire térmico utilizan calor generado en el sitio, lo que reduce las ineficiencias asociadas con la producción de electricidad fuera del sitio, pero, por supuesto, todavía necesita una fuente de calor (libre de carbono). La energía solar concentrada es un ejemplo de tal fuente. [8]

Hidróxido de sodio [ editar ]

Zeman y Lackner describieron un método específico de captura de aire. [9]

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 de gas líquido, fuertemente exotérmica, aquí:

2NaOH (ac) + CO 2 (g) → Na 2 CO 3 (ac) + H 2 O (l)
Na 2 CO 3 (ac) + Ca (OH) 2 (s) → 2NaOH (ac) + CaCO 3 (s)
ΔH ° = -114,7 kJ / mol

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. [9] 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 en el proceso y se muestra aquí:

CaCO 3 (s) → CaO (s) + CO 2 (g)
ΔH ° = + 179,2 kJ / mol

La descomposición térmica de la calcita se realiza en un horno de cal calentado con oxígeno para evitar un paso adicional de separación de gas. La hidratación de la cal (CaO) completa el ciclo. La hidratación con cal es una reacción exotérmica que se puede realizar con agua o vapor. Usando agua, es una reacción líquido / sólido como se muestra aquí:

CaO (s) + H 2 O (l) → Ca (OH) 2 (s)
ΔH ° = -64,5 kJ / mol

Hidróxido de litio [ editar ]

Otras bases fuertes como la cal sodada , el hidróxido de sodio , el hidróxido de potasio y el hidróxido de litio pueden eliminar el dióxido de carbono al reaccionar químicamente con él. En particular, se utilizó hidróxido de litio a bordo de naves espaciales , como en el programa Apollo , para eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera. Reacciona con el dióxido de carbono para formar carbonato de litio . [10] 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 normalmente emplean 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 antiguos a base de calcio.

2 LiOH (s) + 2 H 2 O (g) → 2 LiOH · H 2 O (s)
2 LiOH · H 2 O (s) + CO 2 (g) → Li 2 CO 3 (s) + 3 H 2 O (g)

La reacción neta es:

2LiOH (s) + CO 2 (g) → Li 2 CO 3 (s) + H 2 O (g)

También se puede usar peróxido de litio, ya que absorbe más CO 2 por unidad de peso con la ventaja adicional de liberar oxígeno. [11]

En los últimos años, el ortosilicato de litio ha atraído mucha atención hacia la captura de CO2, así como el almacenamiento de energía. [12] Este material ofrece considerables ventajas de rendimiento aunque requiere altas temperaturas para que se produzca la formación de carbonato.

Sistema de eliminación de dióxido de carbono regenerativo [ editar ]

El sistema de eliminación de dióxido de carbono regenerativo (RCRS) en el orbitador del transbordador espacial utilizó un sistema de dos lechos que proporcionaba una eliminación continua de dióxido de carbono sin productos fungibles. Los sistemas regenerables permitieron que una misión de transbordador permaneciera más tiempo en el espacio sin tener que reponer sus recipientes absorbentes . Los sistemas antiguos basados ​​en hidróxido de litio (LiOH), que no son regenerables, fueron reemplazados por óxido de metal regenerable .-basados ​​en sistemas. Un sistema basado en óxido metálico constaba principalmente de 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 bote de sorbente de óxido metálico se regeneró bombeando aire a aproximadamente 400 ° F (204 ° C) a través de él a un caudal estándar de 7,5 pies cúbicos / min (0,0035 m 3 / s) durante 10 horas. [13]

Carbón activado [ editar ]

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, se puede soplar a través de lechos de carbón activado y el dióxido de carbono se absorberá en el carbón activado. 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 se puede usar para fregar nuevamente, dejando la cantidad neta de dióxido de carbono en el aire igual que cuando se inició el proceso. [ cita requerida ]

Estructuras metalorgánicas (MOF) [ editar ]

Las estructuras metalorgánicas son una de las nuevas tecnologías más prometedoras para la captura y secuestro de dióxido de carbono por adsorción . Aunque en la actualidad no existe una 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 sobre otros gases. [14]

Un MOF podría diseñarse específicamente para actuar como un agente de eliminación de CO 2 en centrales eléctricas de poscombustión. En este escenario, el gas de combustión pasaría a través de un lecho empacado con un material MOF, donde se eliminaría el CO 2 . Una vez que se alcanza la saturación, el CO 2 podría desorberse haciendo un cambio de presión o temperatura. Luego, el dióxido de carbono podría comprimirse a condiciones supercríticas para almacenarlo bajo tierra o utilizarse en procesos mejorados de recuperación de petróleo . Sin embargo, esto todavía no es posible a gran escala debido a varias dificultades, una de las cuales es la producción de MOF en grandes cantidades. [15]

Otro problema es la disponibilidad de 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 promedio preindustrial, necesitaríamos más metales de los disponibles en Tierra. Por ejemplo, para sintetizar todos los MOF que utilizan vanadio , necesitaríamos 1620% de las reservas globales de 2010. Incluso si usamos 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. [15]

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 los gases de combustión posteriores a la combustión. Pudieron separar el 90% del CO 2 de la corriente de gas de combustión mediante un proceso de cambio de presión de 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 amina de referencia causaría un aumento del 81% (la meta del DOE es del 35%). ). Además, cada tonelada de CO 2evitado costaría $ 57, mientras que para el sistema de amina este costo se estima en $ 72. El proyecto finalizó en 2010, estimándose que el capital total requerido para implementar dicho proyecto en una central eléctrica de 580 MW fue de 354 millones de dólares. [dieciséis]

Extender el cartucho de aire [ editar ]

Un cartucho de aire extendido (EAC) es una marca o tipo de bote absorbente de un solo uso precargado que se puede colocar en una cavidad receptora en un rebreather diseñado adecuadamente. [17]

Otros métodos [ editar ]

Se han discutido muchos otros métodos y materiales para depurar dióxido de carbono.

  • Adsorción [18]
  • Sistema de eliminación de dióxido de carbono regenerativo (RCRS)
  • Las algas llenó biorreactores
  • Separaciones de gas de membrana
  • Intercambiadores de calor reversibles

Ver también [ editar ]

  • Captura y almacenamiento de carbono  : proceso de captura y almacenamiento de dióxido de carbono residual de fuentes puntuales
  • Eliminación de dióxido de carbono  - La eliminación de dióxido de carbono en la atmósfera
  • Gas de efecto invernadero  : gas en una atmósfera que absorbe y emite radiación dentro del rango térmico infrarrojo.
  • Rebreather  - Aparato para reciclar el gas respirable
  • Reacción Sabatier  : proceso de metanización de dióxido de carbono con hidrógeno

Referencias [ editar ]

  1. ^ Gary T. Rochelle (2009). "Lavado de amina para la captura de CO 2 ". Ciencia . 325 (5948): 1652–4. Código Bibliográfico : 2009Sci ... 325.1652R . doi : 10.1126 / science.1176731 . PMID  19779188 . S2CID  206521374 .
  2. ^ Sunho Choi; Jeffrey H. Drese; Christopher W. Jones (2009). "Materiales adsorbentes para la captura de dióxido de carbono de grandes fuentes puntuales antropogénicas". ChemSusChem . 2 (9): 796–854. doi : 10.1002 / cssc.200900036 . PMID 19731282 . 
  3. ^ "Imagínese sin restricciones sobre el uso de combustibles fósiles y sin calentamiento global" . ScienceDaily . 15 de abril de 2002.
  4. ^ "Mineral natural bloquea el dióxido de carbono" . ScienceDaily . 3 de septiembre de 2004 . Consultado el 1 de junio de 2011 .
  5. ^ "Sostenibilidad y el horno TecEco" . Archivado desde el original el 25 de octubre de 2005 . Consultado el 25 de octubre de 2005 .
  6. ^ Kenneth Chang (19 de febrero de 2008). "Los científicos convertirían los gases de efecto invernadero en gasolina" . The New York Times . Consultado el 29 de octubre de 2009 .
  7. ^ "La 'esponja' química podría filtrar el CO2 del aire - medio ambiente" . Nuevo científico . 3 de octubre de 2007 . Consultado el 29 de octubre de 2009 .
  8. ^ "¿Puede la tecnología limpiar el aire? - medio ambiente" . Nuevo científico . 12 de enero de 2009 . Consultado el 29 de octubre de 2009 .
  9. ^ a b F. S. Zeman; KS Lackner (2004). "Captura de dióxido de carbono directamente de la atmósfera". Recursos mundiales. Rev . 16 : 157-172.
  10. ^ JR Jaunsen (1989). "El comportamiento y las capacidades de los depuradores de dióxido de carbono con hidróxido de litio en un entorno de aguas profundas" . Informe técnico de la Academia Naval de EE. UU . USNA-TSPR-157. Archivado desde el original el 24 de agosto de 2009 . Consultado el 17 de junio de 2008 .
  11. ^ Petzow, GN; Aldinger, F .; Jönsson, S .; Welge, P .; Van Kampen, V .; Mensing, T .; Brüning, T. (2005). "Berilio y compuestos de berilio". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . doi : 10.1002 / 14356007.a04_011.pub2 . ISBN 978-3527306732.
  12. ^ Absorbente sólido a base de ortosilicato de litio para captura de CO2 después de la combustión
  13. ^ "Eliminación de dióxido de carbono" . Hamilton Sundstrand. Archivado desde el original el 31 de octubre de 2007 . Consultado el 27 de octubre de 2008 . El nuevo sistema a base de óxido metálico reemplaza el sistema de eliminación de dióxido de carbono (CO2) de hidróxido de litio (LiOH) no regenerable existente ubicado en el Sistema de soporte vital primario de la EMU.
  14. ^ Li, Jian-Rong (2011). "Adsorción y separación de gases relacionados con la captura de dióxido de carbono en estructuras organometálicas" (PDF) . Revisiones de química de coordinación . 255 (15-16): 1791-1823. doi : 10.1016 / j.ccr.2011.02.012 . Archivado desde el original (PDF) el 9 de septiembre de 2016.
  15. ^ a b Smit, Berend; Reimer, Jeffrey R .; Oldenburg, Curtis M .; Bourg, Ian C. (2014). Introducción a la captura y secuestro de carbono . Prensa del Imperial College. ISBN 978-1-78326-327-1.
  16. ^ Willis, Richard; Lesch, David A. (2010). "Eliminación de dióxido de carbono de los gases de combustión utilizando estructuras orgánicas de metales microporosos". Informe técnico final . Número de concesión del DOE: DE-FC26-07NT43092. doi : 10.2172 / 1003992 . OSTI 1003992 . 
  17. ^ https://www.dykarna.nu/lexicon/extend_air_cartridge_401.html (en sueco)
  18. ^ "Adsorción y desorción de CO 2 en absorbentes sólidos" (PDF) . netl.doe.gov .