Cómo extraer el dióxido de carbono del agua de mar

May 31, 2023

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A medida que el dióxido de carbono continúa acumulándose en la atmósfera terrestre, 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 "sumidero" número uno del mundo de dióxido de carbono de la atmósfera 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, que podría algún día incluso conducir a emisiones negativas netas en general. Pero, al igual que los sistemas de captura de aire, la idea aún no ha llevado a un uso generalizado, aunque hay algunas empresas que intentan ingresar a esta área.

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 esta semana 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 mediante la división del 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 requieren productos químicos para impulsar las reacciones generales de los electrodos en cada extremo de la pila, lo que aumenta aún más el gasto y la complejidad de los procesos. "Queríamos evitar la necesidad de 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.

El equipo ideó un proceso reversible que consiste en celdas electroquímicas sin membrana. Los electrodos reactivos se utilizan para liberar protones al agua de mar alimentada a las celdas, impulsando la liberación del 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 recolecta como gas al vacío. Luego, el agua se alimenta a un segundo conjunto de celdas con un voltaje invertido, para recuperar los protones y convertir el agua ácida en alcalina antes de devolverla al mar. Periódicamente, las funciones de las dos celdas se invierten una vez que un conjunto de electrodos se agota en protones (durante la acidificación) y el otro se regenera durante la alcalinización.

Esta eliminación de dióxido de carbono y reinyección de agua alcalina podría comenzar a revertir lentamente, al menos localmente, la acidificación de los océanos causada por la acumulación de dióxido de carbono, que a su vez ha amenazado los arrecifes de coral y los mariscos, dice Varanasi, profesor de Ingeniería Mecánica. La reinyección de agua alcalina podría hacerse a través de salidas dispersas o lejos de la costa para evitar un pico local de alcalinidad que podría alterar los ecosistemas, dicen.

"No vamos a poder tratar las emisiones de todo el planeta", dice Varanasi. Pero la reinyección podría realizarse en algunos casos en lugares como piscifactorías, que tienden a acidificar el agua, por lo que esta podría ser una forma de ayudar a contrarrestar ese efecto.

Una vez que se elimina el dióxido de carbono del agua, aún debe desecharse, como ocurre con otros procesos de eliminación de carbono. Por ejemplo, puede enterrarse en formaciones geológicas profundas bajo el lecho marino, 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 la producción de productos químicos o materiales, pero no podrá usarlo todo como materia prima", dice Hatton. "Te quedarás sin mercados para todos los productos que produzcas, así que pase lo que pase, una cantidad significativa del CO2 capturado deberá enterrarse bajo tierra".

Inicialmente, al menos, la idea sería acoplar dichos sistemas con infraestructura existente o planificada que ya procesa agua de mar, como plantas de desalinización. "Este sistema es escalable para que podamos integrarlo potencialmente 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 un simple complemento de los procesos existentes, que ya devuelven grandes cantidades de agua al mar, y no requeriría consumibles como aditivos químicos o membranas.

"Con las plantas de desalinización, ya estás bombeando toda el agua, entonces, ¿por qué no ubicarlas allí?" Varanasi dice. "Un montón de costos de capital asociados con la forma en que mueves el agua y los permisos, todo eso 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 totales. Ya existen mandatos internacionales para reducir las emisiones del transporte marítimo, 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 podría implementarse en lugares como plataformas de perforación en alta mar o en granjas acuícolas. Eventualmente, podría conducir a un despliegue de plantas independientes de eliminación de carbono distribuidas a nivel mundial.

El proceso podría 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 captura directa de aire, primero es necesario capturar y concentrar el gas antes de recuperarlo. "Sin embargo, los océanos son grandes sumideros de carbono, por lo que el paso de captura ya se ha hecho por ti", dice. "No hay paso de captura, solo liberación". Eso 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 pueda estar listo para un proyecto de demostración práctica dentro de unos dos años.

"El problema del dióxido de carbono es el problema que define nuestra vida, nuestra existencia", dice Varanasi. "Claramente, necesitamos toda la ayuda que podamos obtener".

El trabajo fue apoyado por ARPA-E.

Investigadores del MIT han desarrollado un nuevo proceso electroquímico de dos pasos para eliminar el dióxido de carbono del agua de mar, informa John Fialka para E&E News. El nuevo enfoque "reduce los costos de energía y las costosas membranas utilizadas para recolectar CO2 hasta el punto en que los barcos mercantes que funcionan con diésel podrían recolectar suficiente CO2 para compensar sus emisiones", escribe Fialka.

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