Eliminación del dióxido de carbono de los gases de escape de la planta.



Reduce el dióxido de carbono (CO2) las emisiones de las centrales eléctricas se consideran ampliamente como un elemento esencial de cualquier plan de mitigación del cambio climático. Muchos esfuerzos de investigación se centran en desarrollar y desplegar sistemas de captura y secuestro de carbono (CCS) para mantener el CO2 Emisiones de centrales eléctricas fuera de la atmósfera. Pero al separar el CO capturado2 y reconvertirlo en un gas que pueda almacenarse puede consumir hasta el 25% de la capacidad de generación de energía de una planta. Además, el CO2 el gas generalmente se inyecta en formaciones geológicas subterráneas para el almacenamiento a largo plazo, un método de evacuación cuya seguridad y confiabilidad siguen sin demostrarse.

Un mejor enfoque sería convertir CO capturado2 productos útiles como combustibles o productos químicos de valor agregado. Con este fin, la atención se ha centrado en los procesos electroquímicos, en este caso, un proceso en el que las reacciones químicas liberan energía eléctrica, como cuando se descarga una batería. La forma ideal de realizar la conversión electroquímica de CO2 Parecería ser agua. El agua puede proporcionar los protones (partículas con carga positiva) necesarios para producir combustibles como el metano. Sin embargo, la operación de tales sistemas "acuosos" (a base de agua) requiere una gran cantidad de energía, y solo una pequeña fracción de los productos formados son generalmente de interés.

Betar Gallant, profesora asistente de ingeniería mecánica, y su grupo en el MIT se enfocaron en reacciones electroquímicas no acuosas (sin agua), particularmente aquellas que ocurren dentro de litio-CO.2 baterías.

Investigación sobre litio-CO2 Según Gallant, las baterías están en su infancia, pero su interés aumenta porque el CO2 se usa en reacciones químicas que ocurren en uno de los electrodos al descargar la batería. Sin embargo, el CO2 No es muy sensible. Los investigadores trataron de acelerar las cosas usando diferentes electrolitos y materiales de electrodos. A pesar de estos esfuerzos, la necesidad de utilizar catalizadores metálicos caros para provocar actividad electroquímica ha persistido.

Dada la falta de progreso, Gallant quería probar algo diferente. "Queríamos intentar aportar una nueva química al problema", dice ella. Y al usar moléculas sorbentes que capturan eficientemente el CO2 en CSC parecía una avenida prometedora.

La molécula sorbente utilizada en el CSC es una amina, un derivado del amoníaco. En el CSC, el gas de escape se burbujea a través de una solución que contiene amina, que se une químicamente al CO2quitándolo del escape. Comandante2 – ahora en forma líquida – luego se separa de la amina y se reconvierte en gas para su eliminación.

En el CSC, estas últimas etapas requieren altas temperaturas, que se logran utilizando una parte de la potencia de salida de la planta. Gallant se preguntó si su equipo podría usar reacciones electroquímicas para separar el CO2 de la amina y luego continuar la reacción para formar un sólido, CO2Producto que contiene. Si este es el caso, el proceso de eliminación sería más simple que para el CO gaseoso2. Comandante2 sería más denso, por lo que ocuparía menos espacio, y él no podría escapar, por lo que sería más seguro. Mejor aún, podría extraerse energía eléctrica adicional del aparato a medida que descarga y forma el material sólido. "La idea era colocar un dispositivo similar a una batería en el flujo de residuos de la planta para secuestrar el CO capturado.2 en un sólido estable, mientras se recupera la energía liberada durante el proceso ", explica Gallant.

La investigación sobre la tecnología de captura y almacenamiento de carbono ha proporcionado una buena comprensión del proceso de captura de carbono en un sistema de captura y almacenamiento de carbono. Cuando CO2 Cuando se agrega una solución de amina, las moléculas de ambas especies se combinan espontáneamente para formar un "aducto", una nueva especie química en la que las moléculas originales permanecen en contacto. En gran parte intacto. En este caso, el aducto se forma cuando un átomo de carbono en un CO2 La molécula se une químicamente a un átomo de nitrógeno en una molécula de amina. A medida que se combinan, el CO2 La molécula se reconfigura: pasa de su forma lineal inicial muy estable a una forma "curva" con una carga negativa, una forma altamente reactiva lista para la reacción.

En su diagrama, Gallant propuso el uso de electroquímica para separar CO2-adductamina: justo en el enlace carbono-nitrógeno. La división del aducto en este enlace separaría las dos partes: la amina en su estado original, que no ha reaccionado, lista para capturar más CO2y la forma curva y químicamente reactiva de CO2, que luego podría reaccionar con electrones e iones de litio cargados positivamente que se escapan durante la descarga de la batería. El resultado de esta reacción podría ser la formación de carbonato de litio (Li2Colorado3), que se depositaría en el electrodo de carbono.

Al mismo tiempo, las reacciones en el electrodo de carbono deberían promover el flujo de electrones durante la descarga de la batería, incluso sin un catalizador metálico. "La descarga de la batería ocurriría espontáneamente", explica Gallant. "Y romperíamos el aducto de una manera que nos permitiera renovar nuestro CO2 absorbente tomando CO2 Forma estable y sólida. "

En 2016, Aliza Khurram, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica e ingeniero mecánico, comenzó a explorar esta idea.

Su primer desafío fue desarrollar un nuevo electrolito. Un litio-CO2 La batería consta de dos electrodos (un ánodo de litio y un cátodo de carbono) y un electrolito, una solución para transportar las partículas cargadas entre los electrodos durante la carga y descarga de la batería. Para su sistema, necesitaban un electrolito compuesto por amina y CO capturado.2 disuelto en un solvente, y tuvo que promover las reacciones químicas en el cátodo de carbono durante la descarga de la batería.

Comenzaron probando posibles solventes. Mezclaron su CO2Absorbente de amina con una serie de solventes de uso frecuente en baterías, luego burbujeando CO2 a través de la solución resultante para ver si CO2 podría disolverse en altas concentraciones en este ambiente químico no convencional. Ninguna de las soluciones de solventes de amina exhibió cambios observables cuando el CO2 fue presentado, lo que sugiere que todos podrían ser candidatos solventes viables.

Sin embargo, para que funcione cualquier dispositivo electroquímico, el electrolito debe enriquecerse con una sal para proporcionar iones cargados positivamente. Como se trata de una batería de litio, los investigadores comenzaron agregando una sal a base de litio, y los resultados experimentales han cambiado drásticamente. Con la mayoría de los solventes solventes utilizados, la adición inmediata de sal causó que la mezcla formara precipitados sólidos o se volviera extremadamente viscosa, resultados que los excluyeron como solventes viables. La única excepción fue el disolvente dimetilsulfóxido, o DMSO. Incluso en presencia de sal de litio, DMSO podría disolver la amina y el CO2.

"Descubrimos que, por casualidad, la sal de litio era importante para que la reacción tuviera lugar", dice Gallant. "Hay algo acerca del ion de litio cargado positivamente que coordina químicamente con amina-CO2 aducto, y juntas estas especies hacen especies reactivas electroquímicamente. "

Explorando el comportamiento de la batería durante la descarga

Para examinar el comportamiento de descarga de su sistema, los investigadores establecieron una celda electroquímica que consta de un ánodo de litio, un cátodo de carbono y su electrolito especial. Para simplificar, ya están cargados con CO2. Luego siguieron el comportamiento de descarga en el cátodo de carbono.

Como esperaban, su electrolito especial en realidad promovió la reacción de descarga en la celda de prueba. "Con la amina incorporada en el electrolito basado en DMSO con sal de litio y CO2estamos viendo capacidades muy altas y grandes voltajes de descarga, casi tres voltios ", dice Gallant. Con base en estos resultados, concluyeron que su sistema funcionaba como un sistema de litio-CO2 batería con capacidades competitivas y voltajes de descarga en comparación con las baterías de gas de litio de última generación.

El siguiente paso fue confirmar que las reacciones separaron la amina del pozo de CO.2 y continuando la reacción para hacer CO2derivados. Para averiguarlo, los investigadores utilizaron varias herramientas para examinar los productos formados en el cátodo de carbono.

En una prueba, produjeron imágenes de la superficie del cátodo posterior a la reacción utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM). Las formaciones esféricas de un tamaño característico de 500 nanómetros, distribuidas regularmente en la superficie del cátodo, fueron inmediatamente obvias. Según Gallant, la estructura esférica observada del producto de descarga fue similar a la de Li2Colorado3 observado en otras baterías a base de litio. Estas esferas no eran evidentes en las imágenes SEM del cátodo de carbono "virgen" tomado antes de las reacciones.

Otros análisis confirmaron que el sólido depositado en el cátodo era Li2Colorado3. Solo incluye CO2materiales derivados; no estaba presente ninguna molécula de amina o producto derivado de ellos. Juntos, estos datos proporcionan una fuerte evidencia de que el CO electroquímico2la amina cargada se produce por escisión selectiva del enlace carbono-nitrógeno.

"Uno puede pensar que la amina activa efectivamente la reactividad del CO2, Dice galante. "Es emocionante porque la amina comúnmente utilizada en CO2 La captura puede ejecutar dos funciones críticas. Puede servir como absorbente recuperando espontáneamente CO2 gases de combustión e incorporarlo a la solución electrolítica. Y eso puede activar el CO2 otras reacciones que no serían posibles si la amina no estuviera allí. "

Direcciones futuras

Gallant señala que el trabajo realizado hasta la fecha es solo un estudio de prueba de principio. "Todavía hay mucha ciencia básica que entender", dice ella, antes de que los investigadores puedan optimizar su sistema.

Ella y su equipo continúan estudiando las reacciones químicas que ocurren en el electrolito, así como la composición química del aducto que se forma, el estado del "reactivo" en el que se encuentra realizó electroquímica posterior. También examinan el papel detallado de la composición de sal.

Además, deben tenerse en cuenta cuestiones prácticas relacionadas con el diseño de los dispositivos. Un problema persistente es que el depósito sólido ensucia rápidamente el cátodo de carbono, evitando una mayor reacción química. En una configuración estudiada, un diseño de batería recargable, el cátodo se descubre en cada ciclo de descarga-carga. Las reacciones durante la descarga depositan el Li sólido2Colorado3, y las reacciones durante la carga lo elevan, colocando los iones de litio y CO2 De vuelta en el electrolito, listo para reaccionar y generar más electricidad. Sin embargo, CO capturado2 luego volvió a su forma gaseosa original en el electrolito. Sellar la batería bloquearía este CO2 adentro, lejos de la atmósfera, pero solo mucho CO2 se puede almacenar en una batería determinada, por lo que el impacto general del uso de baterías para capturar el CO2 Las emisiones serían limitadas en este escenario.

La segunda configuración en la que están trabajando los investigadores, una instalación dedicada exclusivamente a descargas, resuelve este problema al no permitir nunca el CO gaseoso2 la reforma. "Somos ingenieros mecánicos. Por lo tanto, queremos desarrollar un proceso industrial para cosechar mecánica o químicamente el sólido a medida que se forma ", explica Gallant. "Imagine que, mediante vibraciones mecánicas, pueda eliminar suavemente el sólido del cátodo, manteniéndolo limpio para una reacción sostenida". Colocado en una corriente de escape, dicho sistema podría eliminar permanentemente el CO2 emisiones, generando electricidad y quizás materiales sólidos valiosos al mismo tiempo.

Gallant y su equipo ahora están trabajando en las dos configuraciones de su sistema. "Todavía no sabemos qué es lo mejor para las aplicaciones", dice ella. Aunque cree que el uso práctico de litio-CO2 Las baterías aún tienen años, ella está entusiasmada con los primeros resultados, que sugieren que el desarrollo de nuevos electrolitos para preactivar el CO2 podría conducir a una alternativa de CO2 vías de reacción Y ella y su grupo ya están trabajando en algunos.

Uno de los objetivos es reemplazar el litio con un metal más barato y rico, como el sodio o el calcio. Con el financiamiento inicial de la Iniciativa de Energía del MIT, el equipo ya comenzó a estudiar un sistema basado en calcio, un material que aún no está bien desarrollado para aplicaciones de baterías. Si calcio-CO2 La instalación está funcionando como se esperaba, el sólido que se formaría sería carbonato de calcio, un tipo de roca que ahora se usa ampliamente en la industria de la construcción.

Mientras tanto, Gallant y sus colegas están encantados de haber descubierto lo que parece ser una nueva clase de reacciones para capturar y secuestrar CO2. "CO2 La conversión ha sido ampliamente estudiada durante muchas décadas ", dice ella," por lo que estamos entusiasmados de pensar que podemos haber encontrado algo diferente y nos está dando una nueva ventana para explorar este tema ".

Este artículo apareció en la edición de primavera de 2019 de Futuro energético, la revista de la Iniciativa Energética del MIT.

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