Científicos de Sandia National Laboratories y la Universidad de Nuevo México han desarrollado una membrana biológicamente inspirada destinada a limpiar casi por completo el dióxido de carbono del humo de las centrales eléctricas de carbón.
El trabajo patentado, reportado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza , ha interesado a las compañías de energía y energía que desean reducir de manera significativa y económica las emisiones de dióxido de carbono, uno de los gases de efecto invernadero más extendidos, y explorar otros posibles usos de la invención.
La memzima cumple con los estándares del Departamento de Energía al capturar el 90 por ciento de la producción de dióxido de carbono de la central eléctrica a un costo relativamente bajo de $ 40 por tonelada.
Los investigadores denominan a la membrana una "memzima" porque actúa como un filtro pero está casi saturada con una enzima, la anhidrasa carbónica, desarrollada por células vivas durante millones de años para ayudar a deshacerse del dióxido de carbono de manera eficiente y rápida.
"Hasta la fecha, la extracción del dióxido de carbono del humo ha sido prohibitivamente costosa usando las membranas de polímero gruesas y sólidas disponibles actualmente", dice Jeff Brinker, miembro de Sandia, profesor de regentes de la Universidad de Nuevo México y autor principal del artículo.
"Nuestro método económico sigue el ejemplo de la naturaleza en el uso de una membrana a base de agua de solo 18 nanómetros de espesor que incorpora enzimas naturales para capturar el 90 por ciento del dióxido de carbono liberado. Un nanómetro es aproximadamente 1/700 del diámetro de un cabello humano. Esto es casi un 70 por ciento mejor que los métodos comerciales actuales, y se hace a una fracción del costo "
Las centrales eléctricas de carbón son uno de los mayores productores de energía de los Estados Unidos, pero algunos han sido criticados por enviar más dióxido de carbono a la atmósfera que cualquier otra forma de generación de energía eléctrica. Aún así, el carbón se quema en China, India y otrospaíses significa que la abstinencia de Estados Unidos por sí sola no es probable que resuelva los problemas climáticos del mundo. Pero, dice Brinker, "tal vez la tecnología lo hará".
La formación del dispositivo comienza con un proceso de secado llamado autoensamblaje inducido por evaporación, desarrollado por primera vez en Sandia por Brinker hace 20 años y un campo de estudio por derecho propio.
El procedimiento crea una matriz compacta de nanoporos de sílice diseñada para acomodar la enzima anhidrasa carbónica y mantenerla estable. Esto se realiza en varios pasos. Primero, la matriz, que puede tener 100 nanómetros de largo, se trata con una técnica llamadaDeposición de la capa atómica para hacer que la superficie del nanoporo sea reacia al agua o hidrofóbica. A continuación, se realiza un tratamiento con plasma de oxígeno que se superpone a la superficie reactiva al agua para hacer que los nanoporos sean hidrófilos o amantes del agua, pero solo a una profundidad de 18 nanómetros.de la enzima y el agua se llenan espontáneamente y se estabilizan dentro de la porción de los nanoporos amante del agua. Esto crea membranas de agua de 18 nanómetros de espesor, con una concentración de anhidrasa carbónica 10 veces mayor que las soluciones acuosas hechas hasta la fecha.
La solución, en casa, en su manga que ama el agua, es estable. Pero debido a la capacidad de la enzima para disolver el dióxido de carbono de forma rápida y selectiva, la membrana catalítica tiene la capacidad de capturar la abrumadora mayoría de las moléculas de dióxido de carbono que rozandesde una nube ascendente de humo de carbón. Las moléculas enganchadas pasan rápidamente a través de las membranas, impulsadas únicamente por un gradiente de presión natural causado por la gran cantidad de moléculas de dióxido de carbono en un lado de la membrana y su ausencia comparativa en el otro.El proceso químico convierte el gas brevemente en ácido carbónico y luego en bicarbonato antes de salir inmediatamente corriente abajo como gas de dióxido de carbono. El gas puede ser cosechado con un 99 por ciento de pureza, tan puro que podría ser utilizado por las compañías petroleras para la extracción de recursos. Otras moléculas pasanpor la superficie de la membrana sin alteraciones. La enzima es reutilizable, y debido a que el agua sirve como medio en lugar de actor, no necesita reemplazo.ent.
Los nanoporos se secan durante largos períodos de tiempo debido a la evaporación. Esto se verificará mediante el vapor de agua que se eleva desde los baños de agua inferiores ya instalados en las centrales eléctricas para reducir las emisiones de azufre. Y, las enzimas dañadas por el uso con el tiempo se pueden reemplazar fácilmente.
dice Brinker, "La concentración muy alta de anhidrasa carbónica, junto con la delgadez del canal de agua, dan como resultado un flujo muy alto de dióxido de carbono a través de la membrana. Cuanto mayor es la concentración de anhidrasa carbónica, mayor es el flujo. Cuanto más delgada es la membrana, mayor es el flujo "
La disposición de la membrana en la chimenea de una estación generadora sería como la de un convertidor catalítico en un automóvil, sugiere Brinker. Las membranas se ubicarían en la superficie interna de un tubo dispuesto como un panal. El gas de combustión fluiría a través de la membrana.tubo incrustado, con una corriente de gas libre de dióxido de carbono en el exterior de los tubos. Variar la longitud y el diámetro del tubo optimizaría el proceso de extracción de dióxido de carbono.
"Las compañías de energía y las empresas de servicios de petróleo y gas han expresado interés en optimizar los filtros de gas para condiciones específicas", dice Susan Rempe, investigadora y coautora de Sandia, quien sugirió y desarrolló la idea de insertar anhidrasa carbónica en la solución de agua para mejorarla velocidad por la cual el dióxido de carbono podría ser absorbido y liberado de la membrana ". La enzima puede catalizar la disolución de un millón de moléculas de dióxido de carbono por segundo, mejorando enormemente la velocidad del proceso. Con la optimización por parte de la industria, la memzima podría producir electricidadproducción barata y verde ", dice ella.
El proceso de separación podría aumentar la cantidad de combustible obtenida mediante la recuperación mejorada de petróleo utilizando dióxido de carbono inyectado en los yacimientos existentes.
Una enzima ligeramente diferente, utilizada en el mismo proceso, puede convertir el metano, un gas de efecto invernadero aún más potente, en el metanol más soluble para su eliminación, dice ella.
La limpieza previa por los depuradores industriales significa que el humo ascendente será lo suficientemente limpio como para no afectar significativamente la eficiencia de la membrana, dice el profesor y coautor de artículos de la Universidad de Nuevo México, Ying-Bing Jiang, quien originó y desarrolló la idea de usar membranas acuosas basadasen los procesos del cuerpo humano para separar el dióxido de carbono. Las membranas han operado eficientemente en entornos de laboratorio durante meses.
El procedimiento también podría secuestrar dióxido de carbono en una nave espacial, mencionan los autores, porque las membranas funcionan a temperatura ambiente y son impulsadas únicamente por gradientes químicos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Sandia National Laboratories . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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