Por David L. Chandler, Instituto Tecnológico de Massachusetts 27 de febrero de 2023
Los investigadores han descubierto un nuevo método eficaz para eliminar el dióxido de carbono del océano. Podría ser implementado por barcos que procesarían agua de mar a medida que viajan, o en plataformas de perforación en alta mar o granjas acuícolas. Crédito: Cortesía de los investigadores.
Un nuevo método para eliminar los gases de efecto invernadero del océano podría ser mucho más eficiente que los sistemas existentes para eliminarlos del aire.
A medida que el dióxido de carbono continúa acumulándose en la atmósfera de la Tierra, los equipos de investigación de todo el mundo han pasado años buscando formas de eliminar el gas del aire de manera eficiente. Mientras tanto, el mayor «sumidero» de dióxido de carbono de la atmósfera del mundo es el océano, que absorbe entre el 30 y el 40 por ciento de todo el gas producido por las actividades humanas.
Recientemente, la posibilidad de eliminar el dióxido de carbono directamente del agua del océano ha surgido como otra posibilidad prometedora para mitigar las emisiones de CO2, lo que algún día podría conducir a emisiones negativas netas globales. Pero, al igual que los sistemas de captura de aire, la idea aún no se ha generalizado, aunque hay algunas empresas que intentan entrar en este terreno.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT dice que puede haber encontrado la clave para un mecanismo de eliminación verdaderamente eficiente y económico. Los hallazgos se informaron recientemente en la revista Energy and Environmental Science en un artículo de los profesores del MIT T. Alan Hatton y Kripa Varanasi, el postdoctorado Seoni Kim y los estudiantes graduados Michael Nitzsche, Simon Rufer y Jack Lake.
Los métodos existentes para eliminar el dióxido de carbono del agua de mar aplican un voltaje a través de una pila de membranas para acidificar una corriente de alimentación al dividir el agua. Esto convierte los bicarbonatos del agua en moléculas de CO2, que luego se pueden eliminar al vacío. Hatton, que es profesor de ingeniería química Ralph Landau, señala que las membranas son caras y que se necesitan productos químicos para impulsar las reacciones generales del electrodo en cada extremo de la pila, lo que aumenta aún más el gasto y la complejidad de los procesos. “Queríamos evitar tener que introducir productos químicos en las medias celdas del ánodo y el cátodo y evitar el uso de membranas en la medida de lo posible”, dice.
Inicialmente, el sistema puede usar infraestructura existente o planificada que ya procesa agua de mar, como plantas de desalinización, pero el sistema es escalable. Esta representación muestra cómo el nuevo método también puede ser utilizado por barcos y plataformas en alta mar. Crédito: Cortesía de los investigadores.
El equipo creó un proceso reversible que consiste en celdas electroquímicas sin membrana. Los electrodos reactivos se utilizan para liberar protones en el agua de mar que alimenta las células, lo que impulsa la liberación de dióxido de carbono disuelto del agua. El proceso es cíclico: primero acidifica el agua para convertir los bicarbonatos inorgánicos disueltos en dióxido de carbono molecular, que se recoge como gas al vacío. Luego, el agua se alimenta a un segundo conjunto de celdas con voltaje invertido para recuperar los protones y transformar el agua ácida en alcalina antes de devolverla al mar. Periódicamente, las funciones de las dos células se invierten, ya que un conjunto de electrodos se queda sin protones (durante la acidificación) y el otro se regenera durante la alcalinización.
Essa remoção de dióxido de carbono e a reinjeção de água alcalina podem lentamente começar a reverter, pelo menos localmente, a acidificação dos oceanos causada pelo acúmulo de dióxido de carbono, que por sua vez ameaça recifes de corais e moluscos, diz Varanasi, professor de Ingeniería Mecánica. La reinyección de agua alcalina se puede hacer a través de salidas dispersas o en alta mar para evitar un pico local de alcalinidad que podría dañar los ecosistemas, dicen.
“No podremos tratar las emisiones de todo el planeta”, dice Varanasi. Pero la reinyección se puede hacer en algunos casos en lugares como piscifactorías, que tienden a acidificar el agua, por lo que puede ser una forma de ayudar a combatir este efecto.
Una vez que el dióxido de carbono se elimina del agua, aún debe desecharse, como ocurre con otros procesos de eliminación de carbono. Por ejemplo, puede enterrarse en formaciones geológicas en las profundidades del fondo del mar, o puede convertirse químicamente en un compuesto como el etanol, que puede usarse como combustible para el transporte, o en otros productos químicos especiales. “Ciertamente, puede considerar usar el CO2 capturado como materia prima para producir productos químicos o materiales, pero no podrá usar todo eso como materia prima”, dice Hatton. “Se quedará sin un mercado para todos los productos que produce, por lo que pase lo que pase, una cantidad significativa de CO2 capturado deberá enterrarse bajo tierra”.
Inicialmente, al menos, la idea sería acoplar tales sistemas a la infraestructura existente o planificada que ya procesa agua de mar, como las plantas de desalinización. “Este sistema es escalable, por lo que potencialmente podemos integrarlo en los procesos existentes que ya están procesando el agua del océano o en contacto con el agua del océano”, dice Varanasi. Allí, la eliminación de dióxido de carbono podría ser una simple adición a los procesos existentes, que ya devuelven grandes cantidades de agua al mar, y no requerirían consumibles como aditivos químicos o membranas.
“Con las plantas de desalinización, ya estás bombeando toda el agua, entonces, ¿por qué no coinstalar allí?” dice Varanasi. “Muchos costos de capital asociados con la forma en que mueve el agua y las licencias, todo lo cual ya podría solucionarse”.
El sistema también podría ser implementado por barcos que procesarían agua mientras viajan, para ayudar a mitigar la contribución significativa del tráfico de barcos a las emisiones globales. Ya existen mandatos internacionales para reducir las emisiones de los barcos, y «esto podría ayudar a las compañías navieras a compensar algunas de sus emisiones y convertir a los barcos en depuradores de océanos», dice Varanasi.
El sistema también se puede implementar en lugares como plataformas de perforación en alta mar o en granjas acuícolas. Eventualmente, esto podría conducir al despliegue de plantas autónomas de eliminación de carbono distribuidas globalmente.
El proceso puede ser más eficiente que los sistemas de captura de aire, dice Hatton, porque la concentración de dióxido de carbono en el agua de mar es más de 100 veces mayor que en el aire. En los sistemas de toma directa de aire, primero es necesario capturar y concentrar el gas antes de recuperarlo. “Sin embargo, los océanos son enormes sumideros de carbono, por lo que el paso de captura ya se ha hecho por ti”, dice. “No hay paso de captura, solo liberación”. Esto significa que los volúmenes de material que deben manejarse son mucho más pequeños, lo que podría simplificar todo el proceso y reducir los requisitos de espacio.
La investigación continúa, con el objetivo de encontrar una alternativa al paso actual que requiere vacío para eliminar el dióxido de carbono separado del agua. Otra necesidad es identificar estrategias operativas para evitar la precipitación de minerales que puedan ensuciar los electrodos en la celda de alcalinización, un problema inherente que reduce la eficiencia general en todos los enfoques informados. Hatton señala que se han logrado avances significativos en estos temas, pero que aún es demasiado pronto para informar sobre ellos. El equipo espera que el sistema esté listo para un proyecto de demostración práctica en unos dos años.
“El problema del dióxido de carbono es el problema que define nuestra vida, nuestra existencia”, dice Varanasi. «Así que claramente necesitamos toda la ayuda que podamos obtener».
Referencia: “Proceso electroquímico asimétrico mediado por cloruro para la eliminación de CO2 del agua del océano” por Seoni Kim, Michael Nitzsche, Simon B Rufer, Jack R. Lake, Kripa Kiran Varanasi y T. Alan Hatton, 13 de febrero de 2023, Energy & Environmental Ciencia.
DOI: 10.1039/D2EE03804H
El trabajo fue financiado por ARPA-E.
