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Aug 14, 2023

Cómo extraer dióxido de carbono del agua de mar

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A medida que el dióxido de carbono continúa acumulándose en la atmósfera terrestre, equipos de investigación de todo el mundo han pasado años buscando formas de eliminar el gas de manera eficiente del aire. Mientras tanto, el "sumidero" número uno 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, una posibilidad que algún día podría incluso conducir a emisiones negativas netas en general. Pero, al igual que los sistemas de captura de aire, la idea aún no ha dado lugar a un uso generalizado, aunque hay algunas empresas que intentan entrar en este ámbito.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT dice que pueden haber encontrado la clave para un mecanismo de eliminación verdaderamente eficiente y económico. Los hallazgos fueron reportados 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 de posgrado 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 pueden eliminarse al vacío. Hatton, profesor Ralph Landau de Ingeniería Química, señala que las membranas son caras y se necesitan 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 del cátodo y, en la medida de lo posible, evitar el uso de membranas", afirma.

El equipo ideó un proceso reversible que consiste en células electroquímicas sin membrana. Se utilizan electrodos reactivos para liberar protones al agua de mar que alimenta 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 recoge 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 liberarla nuevamente al mar. Periódicamente, las funciones de las dos células se invierten una vez que un conjunto de electrodos se queda sin protones (durante la acidificación) y el otro se regenera durante la alcalinización.

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

"No podremos 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 es necesario eliminarlo, al igual que con otros procesos de eliminación de carbono. Por ejemplo, puede quedar enterrado en formaciones geológicas profundas bajo el fondo del mar, o puede convertirse químicamente en un compuesto como el etanol, que puede utilizarse como combustible para el transporte, o en otros productos químicos especiales. "Ciertamente se puede considerar el uso del CO2 capturado como materia prima para la producción de productos químicos o materiales, pero no se podrá utilizar todo como materia prima", dice Hatton. "Se quedarán sin mercados para todos los productos que produzcan, así que pase lo que pase, una cantidad significativa del CO2 capturado tendrá que ser enterrado bajo tierra".

Al menos inicialmente, la idea sería acoplar dichos sistemas con infraestructura existente o planificada que ya procese agua de mar, como plantas desalinizadoras. "Este sistema es escalable, por lo que podríamos integrarlo potencialmente en procesos existentes que ya están procesando 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 a los procesos existentes, que ya devuelven grandes cantidades de agua al mar, y no requeriría consumibles como aditivos químicos o membranas.

"Con las plantas desalinizadoras, ya estás bombeando toda el agua, así que ¿por qué no ubicarlas allí?" dice Varanasi. "Un montón de costos de capital asociados con la forma en que se mueve el agua y los permisos, todo eso ya podría solucionarse".

El sistema también podría implementarse en barcos que procesarían agua mientras viajan, para ayudar a mitigar la importante contribución del tráfico marítimo a las emisiones generales. 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 los barcos en depuradores de océanos", dice Varanasi.

El sistema también podría implementarse en lugares como plataformas de perforación marinas o en granjas de acuicultura. Con el tiempo, podría conducir al despliegue de plantas independientes de eliminación de carbono distribuidas por todo el mundo.

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 es necesario primero 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 está hecho", dice. "No hay ningún paso de captura, sólo liberación". Eso significa que los volúmenes de material que deben manipularse son mucho más pequeños, lo que potencialmente simplifica todo el proceso y reduce los requisitos de espacio.

La investigación continúa, con el objetivo de encontrar una alternativa al paso actual que requiere un vacío para eliminar el dióxido de carbono separado del agua. Otra necesidad es identificar estrategias operativas para evitar la precipitación de minerales que pueden dañar los electrodos de 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 estas cuestiones, pero que aún es demasiado pronto para informar al respecto. 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. "Está claro que necesitamos toda la ayuda que podamos conseguir".

El trabajo fue apoyado por ARPA-E.

Los 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 “recorta los costos de energía y las costosas membranas utilizadas para recolectar CO2 hasta el punto en que los buques mercantes que funcionan con diesel podrían recolectar suficiente CO2 para compensar sus emisiones”, escribe Fialka.

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