(Imagen simbólica). Filtrar el CO2 de los gases de escape suele ser más difícil con el vapor de agua porque ambas moléculas compiten por los mismos sitios de unión. Un material poroso recientemente desarrollado separa estas áreas entre sí dentro de sus diminutos poros. Esto significa que la absorción de dióxido de carbono se mantiene incluso en flujos de gas muy húmedos. El material fue probado en condiciones con bajas concentraciones de CO2, relevantes para algunos gases residuales industriales.
(Foto: © Investigación y conocimiento, imagen de IA)
El vapor de agua es un problema para muchos materiales de captura de CO2 porque el agua ocupa los poros donde debería unirse el dióxido de carbono. Con un nuevo material, este efecto se invierte parcialmente. El filtrado de CO2 de los gases de escape funciona incluso con corrientes de gas muy húmedas porque el agua y el dióxido de carbono prefieren diferentes áreas de los mismos poros. En las pruebas, el receptor permaneció funcional durante docenas de ciclos de captura y liberación.
Los gases de escape industriales no están compuestos de dióxido de carbono puro. Además de nitrógeno, oxígeno y trazas de otras sustancias, suelen contener cantidades importantes de vapor de agua. Esto es exactamente lo que dificulta la separación técnica. Un material poroso puede alcanzar una alta capacidad de CO2 en un laboratorio seco y funcionar significativamente peor en condiciones realistas de humedad cuando el agua bloquea sus superficies activas. Por ello, en ocasiones las instalaciones técnicas deben pretratar el gas o utilizar energía adicional. Investigadores de la Universidad Estatal de Oregón han desarrollado una estructura organometálica que trata el agua y el dióxido de carbono de forma espacialmente diferente. El material, llamado BVR-X, tiene poros extremadamente pequeños y contiene centros de vanadio que reaccionan químicamente a la humedad. La reacción modifica reversiblemente el cuadro sin hacer desaparecer las zonas en las que se une preferentemente el CO2.
Las estructuras organometálicas consisten en iones metálicos o grupos de metales unidos por moléculas orgánicas para formar estructuras que se repiten regularmente. Esto crea cavidades en el rango nanométrico con una superficie interna muy grande. La composición química se puede ajustar para que determinados gases se absorban con especial fuerza. La propiedad crucial del nuevo material es una especie de división espacial del trabajo. El agua se une a los centros de vanadio y forma allí grupos hidróxido, mientras que el CO2 se retiene preferentemente en otras zonas de poros caracterizadas por la pirazina. El informe original de la Universidad Estatal de Oregón describe explícitamente este efecto como una ventaja en condiciones más cercanas a los flujos reales de gas industrial.
Porque el agua puede debilitar los captadores de CO2 tradicionales
Los adsorbentes sólo funcionan cuando las moléculas de gas tienen acceso a sus superficies internas. Las moléculas de agua son pequeñas y tienen una fuerte polaridad. Por eso se sienten especialmente atraídos por muchos materiales porosos. Cuando la humedad es alta, los poros pueden llenarse de agua, de modo que queda menos espacio para el dióxido de carbono. El problema es diferente para la separación directa del aire y para el tratamiento de los gases de escape, pero ocurre en ambas áreas. Un artículo existente sobre un COF para la captura directa de CO2 del aire ambiente muestra que la estabilidad del agua ya es un factor de desarrollo clave para otros materiales estructurales. BVR-X adopta un enfoque diferente. En lugar de simplemente mantener alejada la humedad, el material integra la absorción de agua en su mecanismo de trabajo.
El material divide químicamente sus poros.
En condiciones de humedad, el agua se une a los centros de vanadio de la estructura. El estado de oxidación del vanadio cambia reversiblemente y el material se transforma en una estructura estrechamente relacionada. Mientras tanto, el dióxido de carbono se retiene principalmente físicamente en zonas ricas en pirazina. Esta separación espacial reduce la competencia directa entre ambas moléculas. Según datos publicados, el material alcanzó una capacidad dinámica de aproximadamente 2,04 milimoles por gramo en una corriente de gas húmedo que contiene un 4% de CO2 en volumen. La concentración es relevante para determinados gases residuales resultantes de la combustión de gas natural, donde el dióxido de carbono constituye sólo una pequeña parte del flujo de gas. En este caso la separación selectiva es especialmente difícil porque hay que tratar muchos otros gases y agua.
50 ciclos muestran reutilización inicial
Un adsorbente no sólo debe absorber dióxido de carbono, sino que también debe poder regenerarse posteriormente. De lo contrario, cada lote de filtros se desecharía después de un solo uso. En los experimentos, el BVR-X se cambiaba repetidamente entre grabación y liberación. Los investigadores informan un rendimiento estable de hasta 50 ciclos y una alta resistencia a la humedad y al vapor fuertes. Esto es relevante para las pruebas de materiales, pero sigue siendo significativamente menor que el número de ciclos que un proceso industrial alcanzaría a lo largo de los años. Igualmente importantes son la pérdida de presión, los costos de fabricación, el conformado y la estabilidad mecánica. Un polvo fino se puede absorber excelentemente en el laboratorio, pero a menudo hay que procesarlo en gránulos, recubrimientos o contactos estructurados para un sistema. No se debe perder la estructura porosa interna.
Los gases de escape industriales tienen requisitos diferentes a los del aire ambiente
Con la separación directa del aire, la concentración de CO2 es sólo de alrededor del 0,04%. Dependiendo del proceso, los gases de escape contienen muchas veces esta cantidad, pero al mismo tiempo contienen altas temperaturas, humedad y otros componentes. Por lo general, esto hace que la separación sea energéticamente más económica que la del aire ambiente, pero supone una carga adicional para los materiales. El nuevo receptor se probó específicamente en una corriente de gas diluido que contenía un 4% de dióxido de carbono. Estas condiciones se acercan más a determinados gases de escape de combustión que los experimentos clásicos con CO2 concentrado. En Alemania se están probando paralelamente otras formas de abordar las emisiones industriales. El Instituto Tecnológico de Karlsruhe está probando un sistema para hacer circular el CO2 de los gases de escape industriales, que luego convertirá el gas separado en carbono sólido.
El camino desde la muestra de material hasta el sistema de filtrado es muy largo
El equipo de investigación presentó una solicitud de patente para el material, según la Universidad Estatal de Oregón. Esto demuestra un interés por el desarrollo técnico, pero todavía no es una prueba de rentabilidad industrial. Las estructuras organometálicas pueden fabricarse a partir de materiales de partida relativamente complejos y su producción debe ser rentable y reproducible en grandes cantidades. Además, la regeneración debe requerir poca energía. Un adsorbente de alta capacidad puede seguir siendo ineficiente durante todo el proceso si el CO2 ligado sólo se libera con un alto gasto de energía. Por lo tanto, las cantidades de calor, el tiempo de ciclo, la presión, el envejecimiento y el comportamiento frente a los contaminantes típicos de los gases de escape son relevantes para una evaluación exhaustiva. Los resultados publicados hasta el momento se centran principalmente en la nueva forma de tratar el agua en los poros.
La humedad se convierte en parte del mecanismo del oponente.
Éste es precisamente el atractivo científico del BVR-X. El desarrollo material clásico a menudo intenta mantener el agua alejada de los centros activos. La nueva estructura, sin embargo, utiliza una reacción reversible con el agua para crear diferentes regiones de adsorción. El siguiente estudio apareció en Applied Chemistry y el departamento de química de la Universidad Estatal de Oregón lo describe como una estructura redox activa. Será necesario realizar experimentos innovadores y análisis de procesos más amplios para demostrar si esto dará como resultado un filtro de CO2 rentable. Sin embargo, este enfoque resuelve de una manera inusual un problema real para muchos adsorbentes. El agua no queda completamente excluida, sino que se le da su propio espacio químico en el sistema de poros.
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