Crédito:CC0 Public Domain
Un gran avance en la tecnología de captura de carbono podría proporcionar una forma eficiente y económica para que las centrales eléctricas de gas natural eliminen el dióxido de carbono de sus emisiones de humos. un paso necesario en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero para frenar el calentamiento global y el cambio climático.
Desarrollado por investigadores de la Universidad de California, Berkeley, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y ExxonMobil, la nueva técnica utiliza un material altamente poroso llamado estructura organometálica, o MOF, modificado con moléculas de amina que contienen nitrógeno para capturar el CO 2 y vapor a baja temperatura para eliminar el CO 2 para otros usos o para secuestrarlo bajo tierra.
En experimentos, la técnica mostró una capacidad seis veces mayor para eliminar CO 2 de los gases de combustión que la tecnología actual basada en aminas, y fue muy selectivo, capturando más del 90% del CO 2 emitido. El proceso utiliza vapor a baja temperatura para regenerar el MOF para uso repetido, lo que significa que se requiere menos energía para la captura de carbono.
"Para CO 2 capturar, decapado con vapor, donde se usa el contacto directo con el vapor para eliminar el CO 2 —Ha sido una especie de santo grial para el campo. Se considera, con razón, la forma más barata de hacerlo, "dijo el investigador principal Jeffrey Long, Profesor de química y de ingeniería química y biomolecular de UC Berkeley y científico principal de la facultad en Berkeley Lab. "Estos materiales, al menos de los experimentos que hemos realizado hasta ahora, parece muy prometedor ".
Porque hay poco mercado para la mayoría de CO capturado 2 , las plantas de energía probablemente bombearían la mayor parte de nuevo al suelo, o secuestrarlo, donde idealmente se convertiría en roca. El costo de depurar las emisiones tendría que ser facilitado por políticas gubernamentales, como el comercio de carbono o un impuesto al carbono, para incentivar el CO 2 captura y secuestro, algo que muchos países ya han implementado.
El trabajo fue financiado por ExxonMobil, que está trabajando tanto con el grupo de Berkeley como con la start-up de Long, Mosaic Materials Inc., desarrollar, escalar y probar los procesos para eliminar el CO 2 de las emisiones.
Long es el autor principal de un artículo que describe la nueva técnica que aparecerá en la edición del 24 de julio de la revista. Ciencias .
"Pudimos tomar el descubrimiento inicial y, a través de la investigación y las pruebas, Derivar un material que en experimentos de laboratorio haya demostrado el potencial no solo para capturar CO 2 en las condiciones extremas presentes en las emisiones de gases de combustión de las centrales eléctricas de gas natural, pero hacerlo sin pérdida de selectividad, "dijo el coautor Simon Weston, investigador asociado senior y líder del proyecto en ExxonMobil Research and Engineering Co. "Hemos demostrado que estos nuevos materiales pueden luego regenerarse con vapor de baja calidad para uso repetido, proporcionando un camino para una solución viable para la captura de carbono a escala ".
Emisiones de dióxido de carbono por vehículos que queman combustibles fósiles, Las plantas generadoras de electricidad y la industria representan aproximadamente el 65% de los gases de efecto invernadero que impulsan el cambio climático. que ya ha aumentado la temperatura promedio de la Tierra en 1.8 grados Fahrenheit (1 grado Celsius) desde el siglo XIX. Sin una disminución de estas emisiones, los científicos del clima predicen temperaturas cada vez más altas, tormentas más erráticas y violentas, varios pies de aumento del nivel del mar y las sequías resultantes, inundaciones incendios hambruna y conflicto.
"En realidad, del tipo de cosas que el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático dice que debemos hacer para controlar el calentamiento global, CO 2 la captura es una gran parte, ", Dijo Long." No tenemos un uso para la mayor parte del CO 2 que necesitamos dejar de emitir, pero tenemos que hacerlo ".
Pelar
Plantas de energía tira CO 2 de las emisiones de humos de hoy al burbujear gases de combustión a través de aminas orgánicas en el agua, que unen y extraen el dióxido de carbono. Luego, el líquido se calienta a 120-150 C (250-300 F) para liberar el CO 2 gas, después de lo cual los líquidos se reutilizan. Todo el proceso consume alrededor del 30% de la energía generada. Secuestro del CO capturado 2 subterráneo cuesta un adicional, aunque pequeño, fracción de eso.
Hace seis años, Long y su grupo en el Centro de Separaciones de Gas de UC Berkeley, que está financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., descubrió un MOF químicamente modificado que captura fácilmente CO 2 de las emisiones de humos de las centrales eléctricas concentradas, potencialmente reduciendo el costo de captura a la mitad. Agregaron moléculas de diamina a un MOF a base de magnesio para catalizar la formación de cadenas poliméricas de CO 2 que luego podría purgarse enjuagando con una corriente húmeda de dióxido de carbono.
Como los MOF son muy porosos, en este caso como un panal, una cantidad que el peso de un clip tiene una superficie interna igual a la de un campo de fútbol, todos disponibles para adsorber gases.
Una de las principales ventajas de los MOF con amina es que las aminas se pueden modificar para capturar CO 2 a diferentes concentraciones, que van desde el 12% al 15% típico de las emisiones de las plantas de carbón al 4% típico de las plantas de gas natural, o incluso las concentraciones mucho más bajas en el aire ambiente. Materiales de mosaico, que Long cofundó y dirige, fue creado para hacer que esta técnica esté ampliamente disponible en plantas industriales y de energía.
Pero la corriente de agua y CO2 a 180 C 2 necesario para eliminar el CO capturado 2 eventualmente expulsa las moléculas de diamina, acortando la vida del material. La nueva versión utiliza cuatro moléculas de amina, una tetraamina, que es mucho más estable a altas temperaturas y en presencia de vapor.
"Las tetraaminas están tan fuertemente unidas dentro del MOF que podemos usar una corriente muy concentrada de vapor de agua con cero CO 2 , y si lo intentaste con los adsorbentes anteriores, el vapor comenzaría a destruir el material, "Dijo Long.
Demostraron que el contacto directo con el vapor a 110-120 C, un poco por encima del punto de ebullición del agua, funciona bien para eliminar el CO 2 . El vapor a esa temperatura está disponible en las centrales eléctricas de gas natural, mientras que el 180 C CO 2 -mezcla de agua necesaria para regenerar el MOF modificado anteriormente que necesitaba calentamiento, que desperdicia energía.
Cuando es largo, Weston y sus colegas primero pensaron en reemplazar las diaminas con tetraaminas más resistentes, parecía una posibilidad remota. Pero las estructuras cristalinas de los MOF que contienen diamina sugirieron que podría haber formas de conectar dos diaminas para formar una tetraamina mientras se conserva la capacidad del material para polimerizar CO 2 . Cuando el estudiante graduado de UC Berkeley, Eugene Kim, el primer autor del artículo, creó químicamente el MOF con tetraamina adjunta, superó al MOF con diamina en el primer intento.
Posteriormente, los investigadores estudiaron la estructura del MOF modificado utilizando la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab, revelando que el CO 2 Los polímeros que recubren los poros del MOF en realidad están unidos por las tetraaminas, como una escalera con tetraaminas como peldaños. Cálculos de la teoría funcional de la densidad de los primeros principios utilizando la supercomputadora Cori en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética de Berkeley Lab (NERSC), Los recursos informáticos en Molecular Foundry y los recursos proporcionados por el programa Berkeley Research Computing del campus confirmaron esta notable estructura que el equipo de Long había previsto inicialmente.
"He estado investigando en Cal durante 23 años, y este es uno de esos momentos en los que tienes lo que parecía una idea loca, y funcionó de inmediato, "Dijo Long.
Coautores con Long, Kim y Weston son Joseph Falkowski de ExxonMobil; Rebecca Siegelman, Henry Jiang, Alexander Forse, Jeffrey Martell, Phillip Milner, Jeffrey Reimer y Jeffrey Neaton de UC Berkeley; y Jung-Hoon Lee de Berkeley Lab. Neaton y Reimer también son científicos senior de la facultad en Berkeley Lab.
