El becario de Sandia National Laboratories y profesor de regentes de la Universidad de Nuevo México, Jeff Brinker, dirigió el trabajo para desarrollar la membrana de bajo costo capaz de eliminar el dióxido de carbono del humo del carbón. el gas de efecto invernadero más prevalente. Crédito:Randy Montoya
Científicos de Sandia National Laboratories y la Universidad de Nuevo México han desarrollado una membrana de inspiración biológica destinada a limpiar casi por completo el dióxido de carbono del humo de las centrales eléctricas de carbón.
La obra patentada, reportado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza , tiene empresas de energía y energía interesadas que deseen reducir de manera significativa y económica las emisiones de dióxido de carbono, uno de los gases de efecto invernadero más difundidos, y explorar otros posibles usos de la invención.
La memzyme cumple con los estándares del Departamento de Energía al capturar el 90 por ciento de la producción de dióxido de carbono de la planta de energía a un costo relativamente bajo de $ 40 por tonelada.
Los investigadores llaman a la membrana una "memzima" porque actúa como un filtro pero está casi saturada con una enzima, anhídrido carbónico, desarrollado por células vivas durante millones de años para ayudar a deshacerse del dióxido de carbono de manera eficiente y rápida.
"Hasta la fecha, quitar el dióxido de carbono del humo ha sido prohibitivamente costoso usando el espeso, sólido, membranas de polímero actualmente disponibles, "dice Jeff Brinker, un compañero de Sandia, Profesor de regentes de la Universidad de Nuevo México y autor principal del artículo.
"Nuestro método económico sigue el ejemplo de la naturaleza en el uso de una membrana a base de agua de solo 18 nanómetros de espesor que incorpora enzimas naturales para capturar el 90 por ciento del dióxido de carbono liberado (un nanómetro es aproximadamente 1/700 del diámetro de un cabello humano). Esto es casi un 70 por ciento mejor que los métodos comerciales actuales, y se hace a una fracción del costo ".
Las centrales eléctricas de carbón son uno de los mayores productores de energía de los Estados Unidos, pero algunos los han criticado por enviar más dióxido de carbono a la atmósfera que cualquier otra forma de generación de energía eléctrica. Todavía, quema de carbón en China, India y otros países significa que la abstinencia estadounidense por sí sola no es probable que resuelva los problemas climáticos del mundo.
Pero, dice Brinker, "tal vez la tecnología lo haga".
La formación del dispositivo comienza con un proceso de secado llamado autoensamblaje inducido por evaporación, desarrollado por primera vez en Sandia por Brinker hace 20 años y un campo de estudio por derecho propio.
Diseño de membrana líquida enzimática y mecanismo de captura y separación de dióxido de carbono. La membrana de Sandia / Universidad de Nuevo México se fabrica mediante la formación de mesoporos de 8 nanómetros de diámetro. Usando deposición de capa atómica y procesamiento de plasma de oxígeno, los mesoporos de sílice están diseñados para ser hidrófobos excepto por una región de 18 nm de profundidad en la superficie del poro que es hidrófila. Por condensación capilar, Las enzimas de la anhidrasa carbónica y el agua llenan espontáneamente los mesoporos hidrófilos para formar una serie de enzimas estabilizadas con una concentración efectiva superior a 10 veces la que se puede lograr en solución. Estos catalizan la captura y disolución de dióxido de carbono en la superficie aguas arriba y la regeneración de dióxido de carbono en la superficie aguas abajo. La alta concentración de enzimas y la ruta de difusión corta maximizan la eficiencia de captura y el flujo. Crédito:Laboratorios Nacionales Sandia
El procedimiento crea una matriz compacta de nanoporos de sílice diseñados para acomodar la enzima anhidrasa carbónica y mantenerla estable. Esto se hace en varios pasos. Primero, la matriz, que puede tener 100 nanómetros de largo, se trata con una técnica llamada deposición de capa atómica para hacer que la superficie del nanoporo sea reacia al agua o hidrófoba. A esto le sigue un tratamiento con plasma de oxígeno que se superpone a la superficie reacia al agua para hacer que los nanoporos sean amantes del agua o hidrófilos. pero solo hasta una profundidad de 18 nanómetros. Una solución de la enzima y el agua se llena espontáneamente y se estabiliza dentro de la porción amante del agua de los nanoporos. Esto crea membranas de agua de 18 nanómetros de espesor, con una concentración de anhidrasa carbónica 10 veces mayor que las soluciones acuosas elaboradas hasta la fecha.
La solución, en casa en su manga amante del agua, es estable. Pero debido a la capacidad de la enzima para disolver rápida y selectivamente el dióxido de carbono, la membrana catalítica tiene la capacidad de capturar la inmensa mayoría de las moléculas de dióxido de carbono que la rozan desde una nube ascendente de humo de carbón. Las moléculas enganchadas luego pasan rápidamente a través de las membranas, impulsado únicamente por un gradiente de presión natural causado por la gran cantidad de moléculas de dióxido de carbono en un lado de la membrana y su ausencia comparativa en el otro. El proceso químico convierte el gas brevemente en ácido carbónico y luego en bicarbonato antes de salir inmediatamente aguas abajo como gas de dióxido de carbono. El gas se puede cosechar con un 99 por ciento de pureza, tan puro que las empresas petroleras podrían utilizarlo para la extracción de recursos. Otras moléculas pasan por la superficie de la membrana sin perturbaciones. La enzima es reutilizable, y debido a que el agua sirve más como medio que como actor, no necesita reemplazo.
Los nanoporos se secan durante largos períodos de tiempo debido a la evaporación. Esto se controlará mediante el vapor de agua que se eleva desde los baños de agua más bajos ya instalados en las centrales eléctricas para reducir las emisiones de azufre. Y, las enzimas dañadas por el uso con el tiempo pueden reemplazarse fácilmente.
Dice Brinker, "La altísima concentración de anhidrasa carbónica, junto con la delgadez del canal de agua, dan como resultado un flujo de dióxido de carbono muy alto a través de la membrana. Cuanto mayor sea la concentración de anhidrasa carbónica, cuanto mayor sea el flujo. Cuanto más fina es la membrana, cuanto mayor sea el flujo ".
La disposición de la membrana en la chimenea de una estación generadora sería como la de un convertidor catalítico en un automóvil, sugiere Brinker. Las membranas se asentarían en la superficie interior de un tubo dispuesto como un panal. El gas de combustión fluiría a través del tubo incrustado en la membrana, con una corriente de gas libre de dióxido de carbono en el exterior de los tubos. Variar la longitud y el diámetro del tubo optimizaría el proceso de extracción de dióxido de carbono.
"Las empresas de energía y las empresas de servicios de petróleo y gas han expresado su interés en optimizar los filtros de gas para condiciones específicas, "dice Susan Rempe, Sandia investigadora y coautora, quien sugirió y desarrolló la idea de insertar anhidrasa carbónica en la solución de agua para mejorar la velocidad con la que el dióxido de carbono podría ser absorbido y liberado de la membrana. "La enzima puede catalizar la disolución de un millón de moléculas de dióxido de carbono por segundo, mejorando enormemente la velocidad del proceso. Con optimización por industria, la memzyme podría hacer que la producción de electricidad sea barata y ecológica, " ella dice.
El proceso de separación podría incrementar la cantidad de combustible obtenido mejorando la recuperación de petróleo utilizando dióxido de carbono inyectado en los reservorios existentes.
Una enzima ligeramente diferente, utilizado en el mismo proceso, puede convertir el metano, un gas de efecto invernadero aún más potente, en metanol más soluble para su eliminación, ella dice.
La limpieza previa con depuradores industriales significa que el humo ascendente estará lo suficientemente limpio como para no afectar significativamente la eficiencia de la membrana. dice el profesor de la Universidad de Nuevo México y coautor del artículo, Ying-Bing Jiang, quien originó y desarrolló la idea de usar membranas acuosas basadas en los procesos del cuerpo humano para separar el dióxido de carbono. Las membranas han funcionado de manera eficiente en entornos de laboratorio durante meses.
El procedimiento también podría secuestrar dióxido de carbono en una nave espacial, los autores mencionan, porque las membranas operan a temperatura ambiente y son impulsadas únicamente por gradientes químicos.
