Absorción química y adsorción física: funciones clave en la captura de carbono.

01 Introducción

La tecnología de captura de carbono en fuentes puntuales busca reducir las emisiones de dióxido de carbono (CO₂) liberadas a la atmósfera y se ha convertido en una solución importante para abordar el cambio climático. Este artículo explorará dos métodos diferentes de captura de carbono: la absorción química y la adsorción física, y analizará sus características en aplicaciones prácticas.

02 Absorción química: La base de la captura de carbono

Actualmente, la absorción química desempeña un papel importante en la captura de carbono, proporcionando un medio eficaz para capturar CO₂ de los gases de combustión emitidos por centrales eléctricas, instalaciones industriales y otras fuentes puntuales. En este proceso, el gas rico en CO₂ fluye a través de un disolvente líquido. Una vez que el disolvente absorbe el CO₂, este se libera y se separa mediante regeneración térmica, para luego almacenarse o utilizarse.

Los absorbentes de uso común, como la monoetanolamina (MEA) y la dietanolamina (DEA), se utilizan ampliamente debido a su alta afinidad con el CO₂. Estos materiales pueden experimentar reacciones químicas reversibles con el CO₂ para lograr ciclos de captura y liberación. Los sistemas de absorción suelen incluir absorbedores, separadores y unidades de regeneración. El disolvente regenerado se devuelve al absorbedor para su reutilización.

La tecnología de absorción mediante disolventes de aminas orgánicas se desarrolló tempranamente y está relativamente madura, con sistemas capaces de alcanzar altas tasas de captura. Sin embargo, estos disolventes se degradan durante los ciclos continuos de absorción y regeneración, lo que reduce su capacidad de adsorción y requiere su reemplazo periódico. Además, el proceso de regeneración del disolvente consume una cantidad significativa de energía, lo que puede generar emisiones adicionales de carbono en escenarios sin calor residual disponible, limitando aún más su eficacia en la reducción integral de emisiones. Asimismo, la eliminación de los disolventes residuales puede generar nuevos problemas ambientales. Por consiguiente, en los últimos años, la captura de dióxido de carbono basada en la tecnología de adsorción física ha recibido una atención creciente.

03 Adsorción física: Captura de carbono mediante materiales porosos

La tecnología de adsorción utiliza principalmente materiales porosos como zeolitas, carbón activado y estructuras metalorgánicas (MOF) para la adsorción física de CO₂. A diferencia de la absorción, la adsorción se refiere a la captura física de moléculas de CO₂ por la superficie de adsorbentes sólidos, sin que se produzcan reacciones químicas durante el proceso.

Entre los adsorbentes sólidos de uso común, los materiales de carbón activado presentan una baja selectividad de adsorción, lo que se traduce en una baja eficiencia y un alto consumo de energía al aplicarse a la captura puntual de CO₂. Materiales como las zeolitas y los tamices moleculares, además de su baja selectividad, también ven su rendimiento afectado significativamente por el vapor de agua. Las aplicaciones prácticas requieren etapas de secado adicionales, lo que incrementa los costos de captura. Asimismo, debido a la baja selectividad de estos adsorbentes, los gases de combustión con bajo contenido de CO₂ (≤30%) suelen requerir una adsorción en dos o varias etapas para aumentar la concentración de CO₂ a más del 90%.

Los marcos metalorgánicos (MOF) son una clase de materiales porosos cristalinos compuestos de iones metálicos o cúmulos conectados con Enlace orgánicoEn los últimos años, se han desarrollado diversos materiales MOF que poseen alta selectividad, alta capacidad de adsorción y cierta resistencia al agua, lo que los hace ideales para la captura puntual de CO₂. Estos materiales pueden lograr una adsorción altamente selectiva e incluso en corrientes de gas con bajo contenido de CO₂, pueden aumentar la concentración de CO₂ a más del 90 % mediante adsorción en una sola etapa, lo que los convierte en soluciones eficaces para aplicaciones de captura de carbono.

La captura de carbono por adsorción basada en MOF ofrece múltiples ventajas. Los MOF poseen propiedades ajustables, lo que permite diseñar adsorbentes específicamente adaptados a los requisitos de captura de CO₂. Se pueden adaptar a diferentes sistemas de procesos de adsorción, como la adsorción por variación de presión (PSA) y la adsorción por variación de temperatura (TSA). Además, los MOF suelen desorberse a temperaturas más bajas que otros materiales, lo que reduce significativamente el consumo de energía.

04 El futuro de la captura de carbono

Los recientes avances en el campo de los MOF continúan superando las limitaciones comunes de los materiales de adsorción (como la sensibilidad a la humedad y la baja selectividad), gracias a su diseño estructural personalizable. Mediante el ajuste preciso de la composición y la geometría de los poros de los MOF, los investigadores han logrado diseñar materiales estables y de alto rendimiento. Los sistemas basados ​​en MOF pueden cumplir con los requisitos estándar para una captura de carbono eficiente (95 % de pureza y 90 % de tasa de recuperación) en diferentes niveles de concentración, con una mínima necesidad de pre-capas desecantes. Esta capacidad para mitigar la sensibilidad a la humedad representa una ventaja significativa de los MOF en comparación con otros materiales de adsorción como las zeolitas.

Los MOF también exhiben una excelente estabilidad y durabilidad, lo que los convierte en materiales populares para aplicaciones de captura de carbono. Por lo tanto, la capacidad de ajuste de Estructura MofEsto no solo mejora su eficacia en la captura de CO₂, sino que también optimiza su practicidad y fiabilidad en diversas condiciones ambientales, consolidando aún más su posición de liderazgo en las tecnologías de captura de carbono basadas en la adsorción.

En el marco de los esfuerzos globales para la reducción de emisiones de carbono, la adsorción física mediante MOF como adsorbentes demostrará un enorme potencial. Los investigadores continúan realizando investigación y desarrollo para mejorar aún más la estabilidad, la escalabilidad y la rentabilidad de los MOF, impulsando así su amplia aplicación en la captura industrial de carbono. Aprovechando las ventajas de los materiales porosos, podemos allanar el camino hacia un futuro verde y sostenible para las generaciones venideras.

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Referencias

[1]Heliyon, 9 (2023), e22341, 10.1016/j.heliyon.2023.e22341

[2] Revista de Producción Más Limpia, 373 (2022), 133932, 10.1016/j.jclepro.2022.133932