La captura directa de aire fue identificada como una de las “siete separaciones químicas que cambiarán el mundo”. Esto se debe a que, aunque el dióxido de carbono es el principal contribuyente al cambio climático (liberamos ~40 mil millones de toneladas a la atmósfera cada año), separar el dióxido de carbono del aire es un gran desafío debido a su concentración diluida (~0,04%).
El profesor Ian Metcalfe, catedrático de Tecnologías Emergentes de la Real Academia de Ingeniería de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Newcastle (Reino Unido), e investigador principal, afirma: “Los procesos de separación diluida son las separaciones más difíciles de realizar por dos razones clave. En primer lugar, debido a la baja concentración, la cinética (velocidad) de las reacciones químicas dirigidas a la eliminación del componente diluido es muy lenta. En segundo lugar, concentrar el componente diluido requiere mucha energía”.
Estos son los dos desafíos que los investigadores de Newcastle (con colegas de la Universidad Victoria de Wellington, Nueva Zelanda, el Imperial College de Londres, Reino Unido, la Universidad de Oxford, Reino Unido, la Universidad de Strathclyde, Reino Unido y el UCL, Reino Unido) se propusieron abordar con su nueva membrana. Al utilizar las diferencias de humedad naturales como fuerza impulsora para bombear dióxido de carbono del aire, el equipo superó el desafío energético. La presencia de agua también aceleró el transporte de dióxido de carbono a través de la membrana, afrontando el desafío cinético.
El trabajo se publica en Nature Energy y el Dr. Greg A. Mutch, miembro de la Real Academia de Ingeniería de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Newcastle, Reino Unido, explica: “La captura directa de aire será un componente clave del sistema energético del futuro. Se necesitarán medidas para capturar las emisiones de fuentes móviles y distribuidas de dióxido de carbono que no pueden descarbonizarse fácilmente de otras maneras.
“En nuestro trabajo, demostramos la primera membrana sintética capaz de capturar dióxido de carbono del aire y aumentar su concentración sin un aporte de energía tradicional como calor o presión. Creo que una analogía útil podría ser una rueda hidráulica en un molino harinero. Mientras que un molino utiliza el transporte de agua cuesta abajo para impulsar la molienda, nosotros lo usamos para bombear dióxido de carbono del aire”.
Procesos de separación
Los procesos de separación sustentan la mayoría de los aspectos de la vida moderna. Desde los alimentos que comemos hasta los medicamentos que tomamos y los combustibles o baterías de nuestro automóvil, la mayoría de los productos que utilizamos han pasado por varios procesos de separación. Además, los procesos de separación son importantes para minimizar los residuos y la necesidad de remediación ambiental, como la captura directa de dióxido de carbono en el aire.
Sin embargo, en un mundo que avanza hacia una economía circular, los procesos de separación serán aún más críticos. En este caso, la captura directa de aire podría utilizarse para proporcionar dióxido de carbono como materia prima para fabricar muchos de los productos de hidrocarburos que utilizamos hoy en día, pero en un ciclo neutro en carbono o incluso negativo en carbono.
Lo más importante es que, además de la transición a la energía renovable y la captura tradicional de carbono de fuentes puntuales como las centrales eléctricas, la captura directa de aire es necesaria para alcanzar los objetivos climáticos, como el objetivo de 1,5°C establecido por el Acuerdo de París.
La membrana impulsada por la humedad
El Dr. Evangelos Papaioannou, profesor titular de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Newcastle (Reino Unido), explica: “A diferencia del funcionamiento típico de las membranas, y como se describe en el artículo de investigación, el equipo probó una nueva membrana permeable al dióxido de carbono con una variedad de diferencias de humedad aplicadas a través de ella. Cuando la humedad era mayor en el lado de salida de la membrana, la membrana bombeaba espontáneamente dióxido de carbono hacia esa corriente de salida”.
Utilizando tomografía microcomputarizada de rayos X con colaboradores del UCL y la Universidad de Oxford, el equipo pudo caracterizar con precisión la estructura de la membrana. Esto les permitió ofrecer comparaciones sólidas de rendimiento con otras membranas de última generación.
Un aspecto clave del trabajo fue modelar los procesos que ocurren en la membrana a escala molecular. Utilizando cálculos de la teoría de la densidad funcional con un colaborador afiliado tanto a la Universidad Victoria de Wellington como al Imperial College de Londres, el equipo identificó “portadores” dentro de la membrana.
El transportista transporta únicamente dióxido de carbono y agua, pero nada más. Se requiere agua para liberar dióxido de carbono de la membrana y se requiere dióxido de carbono para liberar agua. Debido a esto, la energía de una diferencia de humedad se puede utilizar para impulsar el dióxido de carbono a través de la membrana desde una concentración baja a una concentración más alta.
El profesor Metcalfe añade: “Este fue un verdadero esfuerzo de equipo durante varios años. Estamos muy agradecidos por las contribuciones de nuestros colaboradores y por el apoyo de la Real Academia de Ingeniería y el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas”.
Fuente: Tech Xplore.
