Eliminació de diòxid de carboni

De Viquipèdia
Salta a la navegació Salta a la cerca
Article principal: Diòxid de carboni

El diòxid de carboni és un dels gasos més importants en la contaminació atmosfèrica ja que és un dels causants principals de l'efecte hivernacle degut a l'augment dràstic de la seva concentració per l'activitat humana. Des que va sorgir una preocupació internacional per reduir l'emissió d'aquest gas a l'atmosfera de manera incontrolada s'han implantat i proposat mètodes per l'eliminació del diòxid de carboni de mescles amb altres gasos, sistemes de captació i emmagatzematge per evitar que contamini l'atmosfera i millorar les aplicacions on el diòxid de carboni actua de reactiu i per tant s'elimina per transformació química.

Captació i emmagatzematge de diòxid de carboni[modifica]

La captació i emmagatzematge de carboni consisteix en els processos de captura del CO2 provinent de diverses fonts que emeten aquest gas com a subproducte, ja sigui en plantes petroquímiques o altres plantes que emeten aquest gas degut a combustions o altres reaccions químiques. Després de la captació l’emmagatzematge és fonamental per tal d’evitar el contacte amb l’atmosfera.

L’objectiu d’aquest mètode és reduir al màxim les emissions gasoses de CO2 cap a l’atmosfera, i és un dels processos més prometedors per mitigar aquestes emissions. Les plantes que apliquen captacions de CO2 redueixen fins a un 80-90% les emissions, i el consum energètic s’incrementa en un 25-40%.

Les tècniques més emprades per captar el diòxid de carboni son l’adsorció i separació per membrana de gasos. Com adsorbents trobem les amines o el carbó actiu, encara que certs minerals i zeolites també son capaços d’adsorbir el gas. Un dels primers exemples industrials d’aquest procés és el Weyburn-Midale Carbon Dioxide Project al 2000.

L’emmagatzematge del carboni es localitza en formacions geològiques de fondària determinada, o en forma de carbonats minerals. Magatzem oceànics no son viables en l’actualitat, degut a l’efecte de l’acidificació provocat pel diòxid de carboni. El National Energy Technology Laboratory (NETL) va notificar que als EUA tenen capacitat d'emmagatzematge per un període de 900 anys a un ritme d’emissions actual.[1]

Emmagatzematge geològic[modifica]

Aquest mètode es fonamenta en la injecció de CO2 supercrític en zones geològiques com pous petrolífers, pous de gas natural, formacions salines o mines de carbó. Estudis geològics son els que determinen si la zona es viable per emmagatzemar el gas, és molt important la impermeabilitat del medi, així com l’adsorció del diòxid de carboni amb les superfícies geològiques.

Les injeccions de CO2 supercrític també son útils per optimitzar extraccions de petroli quan aquestes estan pràcticament exhaurides perquè el gas redueix la viscositat del petroli i facilita l’extracció del cru, una via molt factible econòmicament ja que les despeses de la captació i emmagatzematge son recuperades amb la venta de petroli obtingut. 

Emmagatzematge mineral[modifica]

En aquest procés s’utilitza una reacció exotèrmica que es dona naturalment entre el CO2 i òxids metàl·lics per produir carbonats com la calcita o magnesita. Per fer la reacció mes ràpida i eficient s’empren catalitzadors a altes pressions i temperatures.

És una manera molt segura d’emmagatzematge, ja que el CO2 queda segrestat amb una estabilitat termodinàmica molt alta, com a desavantatge té un alt cost energètic per formar els carbonats i en l’actualitat no s’empra a escala industrial. 

Transport[modifica]

El transport del diòxid de carboni es produeix via canonada degut al seu baix cost un cop realitzades les infraestructures i sense consum energètic ja que el desplaçament es produeix per difusió del gas. Un altre mètode de transport son vaixells on el gas es retingut en contenidors específics. No s’empren vehicles en l’actualitat ja que econòmicament no es viable.

Scrubber de diòxid de carboni[modifica]

Són dispositius i sistemes en els quals s’absorbeix el diòxid de carboni per separar-lo d'altres gasos. Es fan servir a la indústria per tractar els gasos d’escapament produïts en les combustions de gas natural, gasolines, el petroli, el carbó i biodièsels.

Tractament amb amines[modifica]

La tecnologia per separar el diòxid de carboni (CO2) del gas natural i l’hidrogen es coneix des dels anys trenta del segle XX. La utilització d’amines és una de les tecnologies més prometedores a curt termini per tractar els gasos d’escapament de la indústria energètica, les refineries, les petroquímiques entre d’altres. Les dissolucions a baixes temperatures d’aquests compostos orgànics, són capaces d’enllaçar-se al diòxid de carboni, tot i que de forma reversible a altes temperatures. També es fan servir per captar el sulfur d’hidrogen (H2S) generant alguns problemes de selectivitat.[2][3][4][5]

+ + +

+ + +

Aquestes reaccions serveixen per separar el CO2 i el H2S del gas ja que es queden dissolts a l’enllaçar-se amb les ammines en forma de carbamats o hidrogencarbonats. Posteriorment aquesta dissolució rica en aquestes substàncies s’escalfa alliberant un gas concentrat en diòxid de carboni i sulfur d’hidrogen i deixant la solució d’ammines neta pel seu reciclatge i reutilització.

Hi ha diferents ammines, ordenades per importància d’ús, que es fan servir en aquest mètode de tractament de gasos:

  • Dietanolamina (DEA)
  • Etanolamina (MEA): si es fa servir una concentració al 32% en pes serveix per extreure només diòxid de carboni i no el sulfur d’hidrogen. En canvi una concentració al 20% serveix per captar ambdós gasos.

La utilització de DEA i MEA són les que millor funcionen quant a reactivitat i estequiometria tot i que requereixen més energia per alliberar a posteriori el CO2, són més corrosives i inestables que les altres amines.

En la producció de biogàs sovint és necessari utilitzar aquest mètodes de tractament de gasos per extreure el CO2 i el H2S de la barreja per tal que la seva composició sigui més similar a la del gas natural. A més també serveix per evitar possibles problemes de corrosió en les estructures metàl·liques en cremar el biogàs.[6][7]

Alguns dels reptes del procés de captació del diòxid de carboni amb les amines:

  • La baixa pressió del gas genera dificultats en la reactivitat de l’amina per captar el CO2.
  • Si el gas conté oxigen pot causar la degradació de les amines.
  • Es requereix molta energia
  • Problemes per emmagatzemar o tractar el CO2[8]

S’estan investigant noves amines que augmentin l’eficiència del procés tant en la captació del CO2 com de l’energia requerida pel reciclatge de la dissolució per ser novament utilitzada.

Tractament amb minerals i zeolites[modifica]

Alguns minerals, la majoria òxids, i zeolites poden captar reversiblement el CO2  en forma de carbonat.[9] Es pot fer servir òxid de calci o minerals com la serpentina, silicats d’hidròxid de magnesi i olivina.[10]

Hidròxid de sodi[modifica]

El mètode Zeman i Lackner per extreure el diòxid de carboni de l’aire.[11]

El CO2 s’absorbeix en una dissolució d’hidròxid de sodi (NaOH) per formar carbonat de sodi en una reacció exotèrmica.

2NaOH(aq) + CO2(g) → Na2CO3(aq) + H2O(l)

Na2CO3(aq) + Ca(OH)2(s) →-> 2NaOH(aq) + CaCO3(s)

ΔH° = -5.3 kJ/mol

El carbonat de sodi que precipita es recull per filtrat i posteriorment descompost tèrmicament per produir CO2 gasós.

CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)

ΔH° = + 179.2 kJ/mol

L’òxid de calci en aigua dona una reacció exotèrmica per donar hidròxid de calci.

CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2(s)

ΔH° = -64.5 kJ/mol

Hidròxid de liti[modifica]

Un altre mètode és la utilització de bases fortes com els hidròxids de calci, potassi i liti. L’hidròxid de liti es feia servir pels viatges a l’espai com per exemple el programa Apollo de la NASA.[12]

2 LiOH(s) + 2 H2O(g) → 2 LiOH·H2O(s)

2 LiOH·H2O(s) + CO2(g) → Li2CO3(s) + 3 H2O(g)

També es pot fer servir el peròxid de liti que absorbeix més CO2 per pes que l’hidròxid amb l’avantatge que allibera oxigen.[13]

2 Li2O2 + 2 CO2 → 2 Li2CO3 + O2

Tractament amb carbó actiu[modifica]

El carbó actiu es pot fer servir per extreure el diòxid de carboni de l’aire fent-lo passar a través d’aquest. Un cop saturat es pot regenerar el carbó actiu fent passar aire amb poca concentració de CO2 fent que el diòxid de carboni atrapat s’alliberi a l’aire.

Metal-organic frameworks (MOFs)[modifica]

Aquests materials estan compostos d’ions metàl·lics o clústers coordinats a lligands orgànics per formar estructures mono, di o tridimensionals que contenen espais buits o porus. En aquests porus és on es poden inserir gasos com el diòxid de carboni per la purificació i separació de gasos entre d’altres. És una de les tecnologies més prometedores per a la captació de diòxid de carboni via adsorció.[14] Encara no és un mètode aplicat a gran escala però les seves característiques fan que pugui ser molt selectiu pel CO2. No és una tecnologia aplicable a gran escala perquè requereix de metalls escassos a la Terra per la seva síntesis.[15][16]

Diòxid de carboni com a reactiu[modifica]

El diòxid de carboni és un gas que pot ser utilitzat en un futur com reactiu en diverses síntesi de compostos orgànics. És el que es coneix com acoblament d’indústries, on un subproducte d’una indústria és utilitzat com a reactiu en un altre i s’optimitzen costos.

En aquest cas, s’estan estudiant diversos catalitzadors per transformar el diòxid de carboni en monòxid de carboni, ja que aquest és el principal reactiu en l’entrada de carboni en productes orgànics industrials. S’estan estudiant els nanocristalls de silici, que combinats amb longituds d’ona determinades provoquen la conversió del CO2 en CO.

El monòxid de carboni pot ser emprat en diverses reaccions com hidroformilacions o la producció de combustibles com el gas de síntesi, altres derivats orgànics com el metanol, àcid acètic o fosgè.

El problema actual és que no s’aconsegueix una alta selectivitat del catalitzador ni un alt rendiment, però es una via molt prometedora de cara al futur per convertir les emissions de diòxid de carboni en un reactiu aprofitable. [17][18]

Síntesí de compostos orgànics[modifica]

El CO­­­2 és un electròlit feble. La seva reacció amb aigua bàsica li dona aquesta característica, en aquest cas el hidròxid és el nucleòfil. Altres nucleòfils també reaccionen amb aquest. Un exemple són els carbanions presents als reactius de Grignard i els compostos d’organoliti que reacciones amb CO2 per donar carboxilats:

MR + CO2 → RCO2M

On M = Li o MgBr i R = alquil o aril.

Una altra síntesi a partir de CO2 seria la del àcid salicílic per la reacció Kolbe-Schmitt. La reacció de Kolbe-Schmitt és una reacció química caracteritzada per una carboxilació que passa quan s'escalfa el fenolat de sodi (la sal de sodi del fenol) juntament amb hidròxid de sodi i diòxid de carboni sota 100 atmosferes de pressió i 125 ° C, per després tractar el producte amb àcid sulfúric. El producte resultant és un àcid d'hidròxid aromàtic conegut com àcid salicílic, un dels precursors de l'aspirina.[19][20]

Mecanisme reacció Kolbe Schmitt.

Una reacció també important a la indústria que utilitza CO2 és la síntesi d'urea. Aquesta síntesi es realitza a partir d'amoniac i anhidre carbonic (CO2) gaseos. La reacció té lloc en dos passos. En el primer pas els reactius mencionats formen un producte intermedi anomenat carbamat d'amoni i en el segon pas el carbamat es deshidrata per formar urea.[21]

2NH3(g) + CO2 (g) NH2 – COONH4(l)

NH2–COONH4 (l) NH2 –CO –NH2 (l) + H2O(l)

Conversió de CO2 a CO[modifica]

La reducció de CO2 a CO és normalment una reacció difícil i lenta:

     CO2 + 2 e- + 2H + → CO + H2O

El potencial redox per a aquesta reacció al voltant de pH 7 és aproximadament -0,53 V enfront del elèctrode normal d'hidrogen. L'enzim monòxid de carboni deshidrogenasa que conté níquel catalitza aquest procés.[22]

Impacte ambiental[modifica]

Tot i que la captació i emmagatzament de diòxid de carboni es un mètode per reduir les emissions de diòxid de carboni o aprofitar aquest, és un procés costós energèticament i que també allibera gassos nocius. La qualitat de l'aire es veu reduïda per gassos com el NOx SOx o NH3.

Emissions de plantes energètiques amb captadors de carboni (kg/(MW·h))

Cicle combinat de gas natural Carbó Cicle combinat integrat de gasificació
CO2 43 (-89%) 107 (−87%) 97 (−88%)
NOx 0.11 (+22%) 0.77 (+31%) 0.1 (+11%)
SOx - 0.001 (−99.7%) 0.33 (+17.9%)
NH3 0.002 0.23 (+2200%) -
Taula 3.5 en [IPCC, 2005]. Entre parèntesis l'increment comparat sense captadors de carboni.

Referències[modifica]

  1. «SSPP: Growing interest in carbon capture and storage (CCS) for climate change mitigation», 03-10-2009. [Consulta: 19 març 2017].
  2. Rochelle, Gary T. «Amine Scrubbing for CO2 Capture» (en en). Science, 325, 5948, 25-09-2009, pàg. 1652–1654. DOI: 10.1126/science.1176731. ISSN: 0036-8075. PMID: 19779188.
  3. Kohl, Arthur L. Gas Purification. 5th. Gulf Professional Publishing, 1997. ISBN 9780080507200. 
  4. Gary, Handwerk, Kaiser, James H., Glenn E., Mark J.. Petroleum Refining: Technology and Economics. 5th. CRC Press, 5 març 2007. ISBN 978-0849370380. 
  5. «Process for acid gas removal from gaseous mixtures».
  6. Huertas, J.I.; Giraldo, N.; Izquierdo, S. Removal of H2S and CO2 from Biogas by Amine Absorption (en en). InTech, 2011. DOI 10.5772/20039. 
  7. Abatzoglou, Nicolas; Boivin, Steve «A review of biogas purification processes» (en en). Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 3, 1, 01-01-2009, pàg. 42–71. DOI: 10.1002/bbb.117. ISSN: 1932-1031.
  8. Ying Wu, John J. Carroll, Zhimin Du. Carbon Dioxide Sequestration and Related Technologies. John Wiley & Sons, 5 de jul. 2011, p. 481. ISBN 9780470938768. 
  9. Choi, Sunho; Drese, Jeffrey H.; Jones, Christopher W. «Adsorbent Materials for Carbon Dioxide Capture from Large Anthropogenic Point Sources» (en en). ChemSusChem, 2, 9, 21-09-2009, pàg. 796–854. DOI: 10.1002/cssc.200900036. ISSN: 1864-564X.
  10. «Natural Mineral Locks Up Carbon Dioxide». Penn State, 03-09-2004.
  11. Frank S Zeman, Klaus S Lackner Capturing carbon dioxide directly from the atmosphere, 2004/6, pàg. 157-172.
  12. J.R. Jaunsen The Behavior and Capabilities of Lithium Hydroxide Carbon Dioxide Scrubbers in a Deep Sea Environment.. US Naval Academy Technical Report., 1989.
  13. Wietelmann, Ulrich; Steinbild, Martin. Lithium and Lithium Compounds (en en). Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2000. DOI 10.1002/14356007.a15_393.pub2. ISBN 9783527306732. 
  14. www.netl.doe.gov/publications/proceedings/01/carbon_seq/3b3.pdf.
  15. Lesch, David A Carbon Dioxide Removal from Flue Gas Using Microporous Metal Organic Frameworks, 30-06-2010.
  16. B. Smit, J. R. Reimer, C. M. Oldenburg, I. C. Bourg. Introduction to Carbon Capture and Sequestration (en anglès). Londres: Imperial College Press, 20 gener 2014, p. 596. ISBN 978-1783263288. 
  17. Song, Yang; Peng, Rui; Hensley, Dale K.; Bonnesen, Peter V.; Liang, Liangbo «High-Selectivity Electrochemical Conversion of CO2 to Ethanol using a Copper Nanoparticle/N-Doped Graphene Electrode» (en en). ChemistrySelect, 1, 19, 16-11-2016, pàg. 6055–6061. DOI: 10.1002/slct.201601169. ISSN: 2365-6549.
  18. Graciani, Jesús; Mudiyanselage, Kumudu; Xu, Fang; Baber, Ashleigh E.; Evans, Jaime «Highly active copper-ceria and copper-ceria-titania catalysts for methanol synthesis from CO2» (en en). Science, 345, 6196, 01-08-2014, pàg. 546–550. DOI: 10.1126/science.1253057. ISSN: 0036-8075. PMID: 25082699.
  19. Kolbe, H. «Ueber Synthese der Salicylsäure» (en en). Justus Liebigs Annalen der Chemie, 113, 1, 01-01-1860, pàg. 125–127. DOI: 10.1002/jlac.18601130120. ISSN: 1099-0690.
  20. Schmitt, R. «Beitrag zur Kenntniss der Kolbe'schen Salicylsäure Synthese» (en en). Journal für Praktische Chemie, 31, 1, 08-06-1885, pàg. 397–411. DOI: 10.1002/prac.18850310130. ISSN: 1521-3897.
  21. matias. «Producción industrial de urea», 11-08-2005. [Consulta: 22 març 2017].
  22. Finn, Colin; Schnittger, Sorcha; Yellowlees, Lesley J.; Love, Jason B. «Molecular approaches to the electrochemical reduction of carbon dioxide» (en en). Chem. Commun., 48, 10, 11-01-2012, pàg. 1392–1399. DOI: 10.1039/c1cc15393e. ISSN: 1364-548X.