El agua hace que la nueva captura de CO2 en los gases de escape de las fábricas sea aún más eficaz

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 cambia reversiblemente el marco sin desaparecer las zonas en las que el CO2 se une preferentemente.

Las estructuras organometálicas están formadas por iones metálicos o grupos metálicos que están conectados 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 de modo que determinados gases se adsorban 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 los poros caracterizados 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.

Por qué el agua puede debilitar los captadores de CO2 convencionales

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 se pueden llenar con agua para que queden menos espacios 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 limitarse a impedir la entrada de 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 cambia a una estructura estrechamente relacionada. Mientras tanto, el dióxido de carbono se retiene principalmente físicamente en las zonas ricas en pirazina. Esta separación espacial reduce la competencia directa entre ambas moléculas. Según los datos publicados, el material alcanzó una capacidad dinámica de aproximadamente 2,04 milimoles por gramo en una corriente de gas húmedo que contenía un cuatro por ciento de CO2 en volumen. La concentración es relevante para determinados gases de escape de la combustión de gas natural, donde el dióxido de carbono sólo constituye una pequeña proporción del flujo de gas. Allí la separación selectiva es especialmente difícil porque hay que procesar 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, BVR-X se cambió repetidamente entre grabación y liberación. Los investigadores informan de un rendimiento estable de hasta 50 ciclos y una alta resistencia a la humedad y al vapor fuertes. Esto es relevante para la verificación de materiales, pero sigue siendo significativamente menor que el número de ciclos que un proceso industrial lograría a lo largo de años. Igualmente importantes son la pérdida de presión, los costes de fabricación, la conformación y la estabilidad mecánica. Un polvo fino se puede adsorber excelentemente en el laboratorio, pero a menudo hay que transformarlo en gránulos, recubrimientos o cuerpos de contacto 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 por ciento. Dependiendo del proceso, los gases de escape contienen muchas veces esta cantidad, pero al mismo tiempo contienen altas temperaturas, humedad y otros componentes. Esto generalmente hace que la separación sea energéticamente más barata que la del aire ambiente, pero impone otras tensiones a los materiales. El nuevo receptor fue probado específicamente en una corriente de gas diluido que contenía un cuatro por ciento 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 tratar las emisiones industriales. El Instituto Tecnológico de Karlsruhe está probando un sistema de circulación para el CO2 de los gases de escape industriales, que luego convertirá el gas separado en carbono sólido.

Hay un largo camino desde la muestra de material hasta el sistema de filtrado.

El grupo de investigación ha presentado 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 estar compuestas de materiales de partida comparativamente complejos y su producción debe ser rentable y reproducible en grandes cantidades. Además, la regeneración debe requerir poca energía. Un adsorbente con una alta capacidad puede seguir siendo ineficiente en el proceso global si el CO2 ligado se libera nuevamente con un alto gasto de energía. Por lo tanto, las cantidades de calor, la duración del ciclo, la presión, el envejecimiento y el comportamiento frente a los contaminantes típicos de los gases de escape son relevantes para una evaluación completa. Los resultados publicados hasta ahora 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. El nuevo marco, por otro lado, utiliza una reacción reversible con agua para crear diferentes regiones de adsorción. El estudio subyacente apareció en Applied Chemistry y el departamento de química de la Universidad Estatal de Oregón lo describe como un marco activo redox. Se deberán realizar experimentos innovadores y análisis de procesos más amplios para demostrar si esto dará como resultado un filtro de CO2 económico. Sin embargo, este enfoque resuelve un problema real para muchos adsorbentes de una manera inusual. El agua no queda completamente excluida, sino que se le da su propio espacio químico en el sistema de poros.