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MEDIO AMBIENTE. Una nueva técnica para capturar dióxido de carbono podría reducir en gran medida los gases de efecto invernadero de las centrales eléctricas


Un gran avance en la tecnología de captura de carbono podría proporcionar una forma eficiente y económica para que las plantas de energía de gas natural eliminen el dióxido de carbono de sus emisiones de humo, un paso necesario para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes de centrales eléctricas y, así, frenar el calentamiento global y el cambio climático. El progresivo cierre de las centrales eléctricas de carbón, hace que el gas natural se esté convirtiendo en la fuente alternativa de generación electricidad en muchos países, y las tecnologías capaces de eliminar eficientemente el dióxido de carbono (CO 2 ) de las emisiones de humos de las centrales eléctricas alimentadas con gas natural podrían reducir las emisiones de este gas de efecto invernadero. Sin embargo, dada la baja presión parcial del CO 2 en la corriente de humos, la separación de CO 2 es particularmente difícil. Inspirados en las estructuras cristalinas de los compuestos organometálicos con adición de diamina que exhiben adsorción cooperativa de CO 2 , un grupo de investigadores ha creado una familia de tales compuestos con base de tetraamina,  que les dota de una eficiencia excepcional en la captura de CO bajo las condiciones extremas presentes en las emisiones de gases de centrales eléctricas. La estructura multimetal ordenada de las tetraaminas confiere a estos materiales (MOFs) una estabilidad extraordinaria en el ciclo de adsorción-desorción con gases de combustión húmedos y permite la regeneración utilizando vapor a baja temperatura.
Desarrollado por investigadores de la Universidad de California, Berkeley, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y ExxonMobil, la nueva técnica utiliza un material altamente poroso llamado un armazón organometálico, o MOF, modificada con moléculas de amina que contienen nitrógeno para capturar el CO 2  a baja temperatura, destinarlo a otros usos o almacenarlo bajo tierra.
En experimentos, la técnica mostró una capacidad seis veces mayor para eliminar el CO 2 del gas de combustión que la tecnología actual basada en aminas, y fue altamente selectiva, 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.
Los MOF modificados con tetraamina eliminan el 90% de CO2 de manera más eficiente y económica
La captura del CO 2 , donde se usa el contacto directo con el vapor para extraerlo, ha sido una especie de santo grial en este campo, ya que se considera, con razón, la forma más barata de hacerlo. Estos materiales (MOFs), al menos en los experimentos que se han realizado hasta ahora, parecen muy prometedores para tales fines.
Debido a que hay poco mercado para la mayoría del  CO 2 capturado, las plantas de energía optan por bombear la mayor parte al suelo, o lo almacenan en el subsuelo, donde idealmente se convertiría en roca. El coste de secuestrar el  CO 2 de las emisiones tendría que ser facilitado por políticas gubernamentales, como el comercio de carbono o un impuesto al carbono, para incentivar la captura y el secuestro de CO 2 , algo que algunos países ya han implementado.
Las emisiones de dióxido de carbono de los vehículos que queman combustibles fósiles, las centrales generadoras de electricidad y la industria, representan aproximadamente el 65% de las emisiones de gases de efecto invernadero, responsables del cambio climático, que ya ha aumentado la temperatura promedio de la Tierra en 1 grado Celsius desde el siglo XIX. Sin una disminución en estas emisiones, los científicos climáticos predicen temperaturas cada vez más altas, tormentas más erráticas y violentas, varios metros de aumento del nivel del mar, sequías, inundaciones, incendios, hambrunas y los conflictos sociales resultantes.

Los armazones metal-orgánicos son altamente porosos, lo que los hace ideales para absorber gases y líquidos. Este gráfico muestra el interior de un MOF basado en el metal magnesio (bolas verdes), con un agregado de moléculas - tetraaminas (azul y gris) - agregadas a los poros para absorber de manera más eficiente el dióxido de carbono de las emisiones de la planta de energía. (Gráfico de UC Berkeley por Eugene Kim)

CÓMO FUNCIONA LA NUEVA TÉCNICA
En la actualidad, las centrales eléctricas eliminan el CO 2 de las emisiones de los humos burbujeando gases de combustión a través de aminas orgánicas en agua. Luego, el líquido se calienta a 120-150 ºC para liberar el gas CO 2 , después de lo cual los químicos (aminas) se reutilizan. Todo el proceso consume alrededor del 30% de la energía generada. El secuestro del CO 2 capturado, almacenado bajo tierra, cuesta una fracción adicional, aunque pequeña, de este proceso.
Hace seis años, un grupo de investigadores de la Universidad californiana de Berkeley, iniciaron un proyecto financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. Descubrieron un MOF modificado químicamente que captura fácilmente CO 2 de las emisiones concentradas de humos de centrales de energía, reduciendo a la mitad el coste de la captura. Agregaron moléculas de diamina a un MOF a base de magnesio para catalizar la formación de cadenas de polímeros de CO 2 que luego podrían purgarse enjuagando con una corriente húmeda de dióxido de carbono. 
Debido a que los MOF son muy porosos, en este caso como un panal, una cantidad equivalente al peso de un clip, tiene una superficie interna semejante a la de un campo de fútbol, ​​disponible para adsorber gases.
Las estructuras cristalinas de los MOF que contienen diamina sugirieron que podría haber formas de conectar dos diaminas para formar una tetraamina mientras se preserva la capacidad del material para polimerizar CO 2
Una ventaja importante de los MOF con aminas es que las aminas se pueden ajustar (químicamente) para capturar CO 2 a diferentes concentraciones, que van desde el 12% al 15% típico de las emisiones de las centrales de carbón, hasta el 4% típico de las plantas de gas natural, o incluso para concentraciones mucho más bajas, como las existentes en el aire ambiente (emisiones típicas de los vehículos con motor de gasolina).
Pero la corriente de 180 ºC de agua y CO 2 necesaria para eliminar el CO 2 capturado eventualmente expulsa (en el proceso) las moléculas de diamina, acortando la vida útil del material. La nueva técnica 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 permiten usar una corriente tan concentrada de vapor de agua con cero CO 2 , que si se intentara con los adsorbentes anteriores, el vapor comenzaría a destruir el material.
Las tetraaminas mostraron que el contacto directo con vapor de agua 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 fácilmente disponible en las centrales eléctricas de gas natural, mientras que la mezcla de 180 ºC necesaria para regenerar el MOF modificado anterior requería calentamiento, lo que implicaba un mayor consumo de energía.
La estructura atómica de un solo poro en un MOF , muestra cómo las moléculas de dióxido de carbono (esferas gris y roja) se unen a las tetraaminas (esferas azul y blanca), construyendo un polímero de CO2 que pasa a través del poro. El vapor a baja temperatura puede eliminar el dióxido de carbono para su secuestro, permitiendo que el MOF se reutilice para capturar más carbono de las emisiones de la central eléctrica. (Gráfico de UC Berkeley por Eugene Kim)

Posteriormente, los investigadores estudiaron la estructura del MOF modificado utilizando la fuente de luz avanzada del Berkeley Lab, revelando que los polímeros de CO 2 que recubren los poros del MOF están realmente unidos por las tetraaminas, como una escalera con peldaños. Los cálculos de la teoría funcional de la densidad de los primeros principios usando la supercomputadora Cori en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía de Berkeley (NERSC), los recursos informáticos en la Fundición Molecular y los recursos proporcionados por el programa de Computación de Investigación del campus de Berkeley, confirmaron esta notable estructura que el equipo investigador había previsto inicialmente.
Fuente: 
- Eugene J. Kim, Rebecca L. Siegelman, Henry Z. H. Jiang, Alexander C. Forse, Jung-Hoon Lee, Jeffrey D. Martell, Phillip J. Milner, Joseph M. Falkowski, Jeffrey B. Neaton, Jeffrey A. Reimer, Simon C. Weston, Jeffrey R. Long. Cooperative carbon capture and steam regeneration with tetraamine-appended metal–organic frameworksScience, 2020 DOI: 10.1126/science.abb3976

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