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 se incrementan desde STP para estar en o por encima del punto crítico para 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 (304,13 K, 31,0 ° C, 87,8 ° F) [1] y presión crítica (7,3773 MPa, 72,8 atm, 1070 psi, 73,8 bar), [1]expandiéndose para llenar su recipiente como un gas pero con una densidad como la de un líquido.
CO supercrítico
2se está convirtiendo en un importante solvente comercial e industrial por su papel en la extracción química además de su baja toxicidad e impacto ambiental. La temperatura relativamente baja del proceso y la estabilidad del CO
2también permite extraer la mayoría de los compuestos con poco daño o desnaturalización . Además, la solubilidad de muchos compuestos extraídos en CO
2varía con la presión, [2] permitiendo extracciones selectivas.
Aplicaciones
Solvente
El dióxido de carbono está ganando popularidad entre los fabricantes de café que buscan alejarse de los solventes descafeinantes clásicos . s CO
2se fuerza a través de los granos de café verde que luego se rocían con agua a alta presión para eliminar la cafeína. A continuación, la cafeína puede aislarse para su reventa (por ejemplo, a los fabricantes de productos farmacéuticos o de bebidas) pasando 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 plaguicidas 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 más respetuoso con el medio ambiente para la limpieza en seco que los disolventes tradicionales como los hidrocarburos, 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 tóxico ni inflamable. Además, la separación de los componentes de 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 frío. 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 la determinación de hidrocarburos aromáticos policíclicos en el suelo y residuos 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
2para producir partículas a micro y nanoescala , a menudo para usos farmacéuticos , están en desarrollo. El proceso antidisolvente de gas , la expansión rápida de soluciones supercríticas y la precipitación antidisolvente 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, s CO
2ha sido sugerido como un solvente potencial para sustentar la actividad biológica en planetas del tipo Venus o súper-Tierra . [11]
Productos manufacturados
Los sustitutos de bajo costo y beneficiosos para el medio ambiente del termoplástico rígido y la cerámica cocida se fabrican utilizando s CO
2como reactivo químico . El s CO
2en estos procesos se hace reaccionar con los componentes alcalinos de totalmente endurecido el cemento hidráulico o de yeso de yeso para formar varios carbonatos. [12] El subproducto principal es el agua.
El dióxido de carbono supercrítico se 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 de polímero, es decir, creando una espuma. También se están realizando investigaciones en muchas universidades sobre la producción de espumas microcelulares utilizando s CO
2.
Una carboxilación electroquímica de un cloruro de paraisobutil bencilo a ibuprofeno se promueve bajo s CO
2. [13]
Trabajando fluidamente
CO supercrítico
2es químicamente estable, confiable, de bajo costo, no tóxico, no inflamable y fácilmente disponible, lo que lo convierte en un fluido de trabajo candidato deseable . [14]
El CO 2 supercrítico se utiliza como fluido de trabajo en bombas de calor de agua doméstica de alta eficiencia . Las bombas de calor fabricadas y ampliamente utilizadas también están disponibles comercialmente para calefacción y refrigeración doméstica y comercial. [14] Si bien algunas de las bombas de calor de agua doméstica más comunes eliminan el calor del espacio en el que están ubicadas, como un sótano o un garaje, los calentadores de agua con bomba de calor de CO 2 generalmente se ubican en el exterior, donde eliminan el calor del exterior. aire. [14]
Generación de energía
Las propiedades únicas de s CO
2presenta ventajas para la generación de energía en circuito cerrado y se puede aplicar a diversas aplicaciones de generación de energía. Los sistemas de generación de energía que utilizan ciclos tradicionales de aire Brayton y vapor Rankine se pueden actualizar a s CO
2 para aumentar la eficiencia y la producción de energía.
El ciclo de potencia relativamente nuevo de 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 y una cantidad correspondiente de CO 2 puro debe ser eliminado del proceso (para uso industrial o secuestro). Este proceso reduce las emisiones atmosféricas a cero.
Presenta propiedades interesantes que prometen mejoras sustanciales en la eficiencia del sistema. Debido a su alta densidad de fluido, s CO
2permite una turbomáquina extremadamente compacta y de alta eficiencia. 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 altamente compacta. [15]
En 2016, General Electric anunció un CO supercrítico
2turbina de base que permitió una eficiencia del 50% en la conversión de energía térmica en energía eléctrica. En ella el CO
2se 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. [dieciséis]
Además, debido a su estabilidad térmica superior y no inflamabilidad, es posible el intercambio de calor directo de fuentes de alta temperatura, lo que permite temperaturas del fluido de trabajo más altas y, por lo tanto, una mayor eficiencia del ciclo. A diferencia del flujo de dos fases, la naturaleza monofásica de s CO
2elimina la necesidad de una entrada 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 . [17]
A pesar de la promesa de una eficiencia sustancialmente mayor y menores costos de capital, el uso de s CO
2presenta cuestiones de diseño y selección de materiales. 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 las aleaciones tradicionales en la generación de energía, como las superaleaciones a base de níquel para componentes de turbomáquinas y los aceros inoxidables austeníticos para tuberías. Componentes dentro de s CO
2Los lazos de Brayton sufren corrosión y erosión, específicamente erosión en turbomáquinas y componentes de intercambiadores de calor recuperativos y corrosión intergranular y picaduras en las tuberías. [18]
Se han realizado pruebas en aleaciones candidatas a base de Ni, aceros austeníticos, aceros ferríticos y cerámicas para determinar la resistencia a la corrosión en s CO
2ciclos. El interés en estos materiales deriva de la 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. . [19] [20]
Otro
Se está trabajando para desarrollar como CO
2 turbina de gas de ciclo cerrado para operar a temperaturas cercanas a los 550 ° C. Esto tendría implicaciones para la generación de electricidad térmica y nuclear a granel, porque las propiedades supercríticas del dióxido de carbono por encima 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 de los aumentos de la eficiencia del ciclo sería significativo. [21]
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 en Asia. Los sistemas EcoCute de Japón, desarrollados por Mayekawa, desarrollan agua doméstica de alta temperatura con pequeñas entradas de energía eléctrica al mover el calor hacia el sistema desde los alrededores. [22]
CO supercrítico
2 se ha utilizado desde la década de 1980 para mejorar la recuperación en campos petrolíferos maduros.
" Carbón limpio tecnologías" están surgiendo que podrían combinar estos métodos de recuperación mejorada con el secuestro de carbono . Usando 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 el almacenamiento geológico, posiblemente en los campos petrolíferos existentes para mejorar los rendimientos. Las propiedades únicas de s CO
2asegúrese de que permanezca fuera de la atmósfera. [23] [24] [25]
CO supercrítico
2se puede utilizar como fluido de trabajo para la generación de electricidad geotérmica tanto en sistemas geotérmicos mejorados [26] [27] [28] [29] como en sistemas geotérmicos sedimentarios (los llamados CO
2Plume geotermal). [30] [31] Los sistemas EGS utilizan un reservorio fracturado artificialmente en la roca del sótano, mientras que los sistemas CPG utilizan reservorios sedimentarios menos profundos y naturalmente permeables. Posibles ventajas de usar CO
2en un yacimiento geológico, en comparación con el agua, incluyen un mayor rendimiento energético como resultado de su menor viscosidad, mejor interacción química y CO permanente
2almacenamiento ya que el depósito debe llenarse con grandes masas de CO
2. En 2011, el concepto no se había probado en el campo. [32]
Producción de aerogel
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. [33]
Esterilización de materiales biomédicos
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 de proteínas de los microbios inactivados. [34]
Limpieza
CO supercrítico
2se utiliza en determinados procesos de limpieza industrial .
Ver también
- Cafeína
- Limpieza en seco
- Perfume
- Fluido supercrítico
Referencias
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Otras lecturas
- Mukhopadhyay M. (2000). Extractos naturales que utilizan dióxido de carbono supercrítico . Estados Unidos: CRC Press, LLC. Vista previa gratuita en Google Books .