El investigador de Lehigh Engineering, Arup SenGupta, ha desarrollado una forma novedosa de capturar dióxido de carbono del aire y almacenarlo en el «sumidero infinito» del océano.
El enfoque utiliza un innovador filtro polimérico que contiene cobre y esencialmente convierte el CO2 en bicarbonato de sodio (también conocido como bicarbonato de sodio) que puede liberarse inofensivamente en el océano. Este nuevo material híbrido, o filtro, se denomina DeCarbonHIX (es decir, descarbonización mediante material híbrido de intercambio iónico) y se describe en un artículo publicado recientemente en la revista Avances de la ciencia.
La investigación, que demostró un aumento del 300 por ciento en la cantidad de carbono capturado en comparación con los métodos de captura de aire directo existentes, ha atraído la atención internacional de medios de comunicación como la BBC, CNN, Fast Company y The Daily Beast, y organizaciones profesionales como la American Sociedad Química. El propio SenGupta ha mostrado interés en la tecnología de empresas con sede en Brasil, Irlanda y Oriente Medio.
«La crisis climática es un problema internacional», dice SenGupta, profesor de ingeniería química y biomolecular e ingeniería civil y ambiental en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas PC Rossin de Lehigh. «Y creo que tenemos la responsabilidad de desarrollar tecnología de captura directa de aire de manera que pueda ser implementada por personas y países de todo el mundo. Cualquiera que pueda operar un teléfono celular debería poder operar este proceso. Esta no es tecnología para ganar dinero. Es para salvar el mundo».
El trabajo es otra extensión del compromiso personal y profesional de SenGupta para desarrollar tecnologías que beneficien a la humanidad y, en particular, a las comunidades marginadas de todo el mundo. Su investigación en ciencia y tecnología del agua ha incluido metodologías de tratamiento de agua potable, desalinización, reutilización de aguas residuales municipales y recuperación de recursos. Inventó el primer nanomaterial intercambiador de aniones híbrido selectivo de arsénico reutilizable (HAIX-Nano) y, como resultado, más de dos millones de personas en todo el mundo ahora beben agua libre de arsénico. Dos de sus patentes han sido reconocidas como «Patentes para la Humanidad» por la Oficina de Marcas y Patentes de los Estados Unidos.
Su invención de DeCarbonHIX fue el resultado de un CO en curso2-impulsado por un proyecto de desalinización de aguas residuales financiado por la Oficina de Reclamación bajo la jurisdicción del Departamento del Interior de los Estados Unidos. SenGupta y sus estudiantes buscaban un suministro confiable de CO2 incluso en lugares remotos. Esa búsqueda abrió el camino hacia el campo de la captura directa de aire, o DAC, y la creación de DeCarbonHIX. Este tema fue el tema de tesis del estudiante de ingeniería ambiental Hao Chen ’23 PhD, quien defendió con éxito su doctorado en marzo y recibirá su doctorado en mayo.
Captura de carbono en concentraciones más bajas
El más abundante de los gases de efecto invernadero que contribuyen al calentamiento global es el dióxido de carbono. En 2021, las emisiones globales de CO2 aumentó un 6 por ciento con respecto al año anterior, a 36,3 gigatoneladas, según la Agencia Internacional de Energía. Solo una gigatonelada (equivalente a mil millones de toneladas) es el equivalente a la masa de todos los mamíferos terrestres del planeta.
Las emisiones de gases de efecto invernadero han aumentado las temperaturas globales en aproximadamente 1,1 grados centígrados por encima de los niveles preindustriales, según el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático. En su informe del grupo de trabajo de 2021, el IPCC estima que se espera que la temperatura anual promedio durante los próximos 20 años aumente al menos 1,5 grados centígrados. Cuanto más caliente se vuelve la tierra, mayores son las consecuencias en términos de aumento del nivel del mar, tormentas extremas y perturbaciones ecológicas, todo lo cual tiene repercusiones en la salud, la seguridad y la estabilidad mundiales.
“Lo peor de esta crisis es que las personas que están marginadas, que son pobres, sufrirán 10 veces más que quienes contribuyeron a esta situación”, dice SenGupta.
Hay tres formas de reducir el CO2, él dice. La primera, la acción del gobierno, puede reducir las emisiones, pero eso no abordará lo que ya está en el aire.
«La segunda forma es eliminarlo de fuentes puntuales, lugares como chimeneas y chimeneas donde se emite dióxido de carbono en grandes cantidades», dice. «Lo bueno de eso es que puedes eliminarlo en concentraciones muy altas, pero solo apunta a las emisiones de fuentes específicas».
El método más nuevo se llama captura directa de aire, que, dice, «permite eliminar el CO2 desde cualquier lugar, incluso desde tu propio patio trasero».
Con DAC, los procesos químicos eliminan el CO2 de la atmósfera, después de lo cual normalmente se almacena bajo tierra. Sin embargo, dice SenGupta, la tecnología está limitada por su capacidad. No puede capturar suficiente CO2 para superar el costo de energía de ejecutar el proceso.
«Si estás capturando dióxido de carbono de una chimenea en una planta, la cantidad de CO2 en el aire puede ser más de 100.000 partes por millón», dice. «En esa concentración, es fácil de eliminar. Pero, en términos generales, el nivel de CO2 en el aire es de alrededor de 400 partes por millón. Eso es muy alto desde el punto de vista del cambio climático, pero para fines de eliminación, lo consideramos ultra diluido. Los materiales de filtro actuales simplemente no pueden recolectar suficiente».
Otro desafío con DAC involucra el almacenamiento. Después del CO2 se captura, se disuelve, se somete a presión, se licua y, por lo general, se almacena millas bajo tierra. Entonces, una operación de DAC debe ubicarse en un área con suficiente almacenamiento geológico y estabilidad. Un país como Japón, por ejemplo, no puede bombear CO2 bajo tierra porque la zona es propensa a los terremotos.
Ver una solución en el agua de mar
SenGupta ha desarrollado un método DAC que supera tanto el problema de la captura como el problema del almacenamiento.
Para el problema de la captura, desarrolló DeCarbonHIX, un sorbente mecánicamente fuerte y químicamente estable (un material utilizado para absorber líquidos o gases), que contiene cobre.
«El cobre cambia una propiedad intrínseca del material polimérico original y mejora la capacidad de captura en un 300 por ciento», dice. «Demostramos que para la captura directa de aire del aire con 400 partes por millón de CO2, logramos la capacidad, lo que significa que la capacidad ya no es una función de la cantidad de dióxido de carbono que hay en el aire. El filtro se saturará por completo en cualquier concentración, lo que significa que puede realizar DAC en su patio trasero, en medio del desierto o en medio del océano».
El océano es en realidad la solución de SenGupta al problema del almacenamiento. Su proceso DAC comienza con aire soplando a través del filtro para capturar CO2. Una vez que el filtro está saturado con moléculas de gas (determinado midiendo la cantidad de gas que ingresa al filtro versus la que sale), el agua de mar pasa a través del filtro. El agua de mar convierte el dióxido de carbono en bicarbonato de sodio (probablemente lo conozca como bicarbonato de sodio, pero pierda la imagen ya que aquí estamos hablando de una solución disuelta). El bicarbonato de sodio disuelto luego se libera directamente en el océano, lo que Sengupta llama «un sumidero infinito».
«Y no tiene ningún impacto adverso en el océano», dice SenGupta. «No cambia la salinidad en absoluto».
De hecho, dice, el bicarbonato de sodio, que es ligeramente alcalino, puede mejorar la salud del océano. Eso es porque los niveles elevados de CO2 en la atmósfera han reducido gradualmente el pH del océano, provocando la acidificación. Las aguas más ácidas dañan el crecimiento y la reproducción de la vida marina, como los corales y el plancton, y pueden provocar colapsos catastróficos en la cadena alimentaria.
«El bicarbonato de sodio puede revertir esa disminución del pH», dice.
Vale la pena señalar, dice, que al igual que los procesos DAC existentes, DeCarbonHIX también se puede desorber con agua caliente o vapor, y CO puro.2 puede recuperarse, comprimirse y almacenarse bajo tierra en almacenamiento geológico.
«En realidad, este nuevo material de filtro ofrece un modo dual de desorción y secuestro».
