Los químicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía han demostrado una método energéticamente eficiente para capturar dióxido de carbono (CO2) directamente del aire. Informan sus hallazgos en Energía de la naturaleza . Si se implementa a gran escala y se acopla al almacenamiento geológico, la técnica puede reforzar la cartera de respuestas al cambio climático global.

"Las tecnologías de emisiones negativas, para la eliminación neta de gases de efecto invernadero de la atmósfera, ahora se consideran esenciales para estabilizar el clima, "dijo Radu Custelcean de ORNL, quien concibió y dirigió el estudio. Esta opinión se hace eco de las conclusiones de un informe reciente de la Academia Nacional de Ciencias. "Nuestro enfoque de captura de aire directa proporciona la base para una tecnología de emisiones negativas sostenible desde el punto de vista energético, "añadió.

El logro se basa en un estudio de prueba de principio que los químicos realizaron el año pasado, que se mejoró a través de un proceso de dos ciclos que mejoró dramáticamente la velocidad y la capacidad de absorción de CO2 y que recicla completamente tanto el sorbente de aminoácidos como el compuesto de guanidina.

Es más barato y más fácil reducir las emisiones de CO2 en su origen que recuperar las emisiones de la atmósfera. A pesar de todo, El despliegue a gran escala de tecnologías como la captura directa de CO2 en el aire se considera ahora necesario para limitar el aumento de la temperatura global media a 2 grados C (~ 4 grados Fahrenheit).

Limitar el calentamiento a 2 grados C requeriría tomar miles de millones de toneladas, o gigatoneladas, de CO2 de la atmósfera. En principio, los árboles podrían hacerlo. Sin embargo, para capturar CO2 a esta escala, "tendrías que plantar árboles en una superficie del tamaño de la India, ", Dijo Custelcean. Capturar una gigatonelada de CO2 por año con depuradores industriales requeriría solo aproximadamente 7, 000 kilómetros cuadrados (~ 2, 700 millas cuadradas):un área menor que la gran isla de Hawái, dijo el coautor Neil Williams.

Para el reciente estudio de ORNL, Williams y Flavien Brethomé mezclaron aminoácidos con agua para hacer un sorbente acuoso para tomar CO2 del aire. Los aminoácidos son más seguros que los hidróxidos cáusticos de sodio o potasio o las aminas malolientes, los sorbentes utilizados en los depuradores industriales de CO2.

Los científicos colocaron su sorbente acuoso en un humidificador doméstico para maximizar el contacto entre el aire y el sorbente y así acelerar la absorción de CO2. Una vez absorbido en el líquido, el CO2 formó una sal de bicarbonato.

El colega Charles Seipp había diseñado y sintetizado un compuesto orgánico que contenía guanidinas, grupos químicos comunes en las proteínas que pueden unirse a iones cargados negativamente. Williams y Brethomé agregaron el compuesto de guanidina de Seipp a la solución de sorbente de aminoácidos cargada que contenía bicarbonato, creando una sal de carbonato insoluble que precipitó de la solución y regenerando el sorbente de aminoácidos, que podría reciclarse.

Una parte fundamental del estudio fue un análisis termodinámico completo del proceso por Custelcean y Michelle Kidder, quien determinó cuánta energía se necesitaba para impulsar cada reacción química. El último paso, liberar CO2 de los cristales de carbonato para que pueda almacenarse a largo plazo, es especialmente importante para desarrollar un proceso de energía sostenible. Debido a que el CO2 está ligado a un sólido de carbonato de guanidina, puede liberarse a temperaturas mucho más bajas (80-160 grados C, o 176-320 grados F) que de las sales inorgánicas utilizadas en las tecnologías de captura actuales, que requieren temperaturas superiores a 800 grados C (1, 472 grados F) para liberar el CO2. Sin embargo, el análisis mostró que el calor necesario para liberar el CO2 de los cristales de carbonato de guanidina sigue siendo significativo.

Para hacer que el proceso global sea energéticamente sostenible, Custelcean decidió emplear energía solar concentrada. Adquirió un horno de energía solar, normalmente se utiliza para cocinar alimentos utilizando un espejo parabólico para concentrar los rayos del sol. Los cristales de carbonato de guanidina se colocaron en una bandeja dentro del horno solar, y el CO2 se liberó en tan solo 2 minutos, en un proceso de regeneración del compuesto de guanidina para su reciclaje.

"El uso de energía renovable es importante porque, en la medida de lo posible, desea evitar producir más CO2 en el proceso de intentar capturarlo, ", Dijo Custelcean. Este experimento utilizó calor solar, pero el calor residual, como el de los acondicionadores de aire y las plantas de energía, también funcionaría, él dijo.

Avanzando a los investigadores les gustaría diseñar más simple, sorbentes a base de guanidina más eficientes y obtener una mejor comprensión de la estructura, Aspectos termodinámicos y mecanicistas del proceso de captura directa de aire.

"Todos los cristales que hemos hecho hasta ahora incluyen agua que hidrata los aniones de carbonato, ", Explicó Custelcean." Cuando intentas liberar el CO2, también hay que desorber el agua, y eso consume la mayor parte de la energía. Estamos tratando de diseñar ligandos de guanidina de próxima generación que se unan al CO2 como carbonato 'seco' ".

El proceso a escala de ORNL actualmente puede capturar hasta 100 gramos de CO2 en 24 horas.

Los investigadores han solicitado patentes que describen el proceso. Para la siguiente etapa, buscan un socio industrial para escalar el proceso desde una demostración de sobremesa hasta una planta piloto y, finalmente, Planta industrial a gran escala.

El título del artículo es "Captura directa de aire de CO2 mediante absorción en fase acuosa y liberación en fase cristalina utilizando energía solar concentrada".

La Oficina de Ciencias del DOE apoyó la investigación.