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Nueva tecnología de membranas para la captura eficiente de carbono

La separación de gases basada en la tecnología de membranas como alternativa a las técnicas de separación convencionales puede lograr unos mejores resultados en términos de reducción de emisiones de dióxido de carbono (CO2) derivadas de centrales eléctricas y de la producción de cemento, así como la reducción de las pérdidas de eficiencia.
Nueva tecnología de membranas para la captura eficiente de carbono
Uno de los métodos más eficaces para captar el CO2 de fuentes industriales es la oxicombustión, en la que el oxígeno (O2) necesario se separa del aire previamente a la combustión. Esta atmósfera sin nitrógeno y rica en O2 genera gases de combustión finales formados principalmente por CO2 y agua, lo cual genera un flujo de CO2 más concentrado que facilita la depuración.

La principal demanda energética de este método proviene de la generación de O2, que normalmente se consigue a través de la licuefacción del aire. Esta necesidad energética se reduce considerablemente mediante el uso de módulos de separación integrados térmicamente que se basan en membranas cerámicas de transporte de O2. Esto podría suponer una reducción de hasta el 60 % de la demanda energética en la captura en comparación con la separación criogénica del aire y de hasta el 40 % en comparación con los enfoques de captura en poscombustión.

Los materiales de la membrana de elevada permeabilidad presentan inestabilidad química frente al CO2 y otros componentes de los gases de combustión. El proyecto GREEN-CC, financiado con fondos europeos, abordó este problema desarrollando membranas muy estables y un módulo de prueba de concepto para la generación integrada de O2 en la producción de cemento y para centrales eléctricas de ciclo combinado de oxicombustión y gasificación integrada.

Mejor rendimiento

El equipo investigó cuatro posibles diseños de prueba de concepto empleando la dinámica de fluidos computacional y el análisis de esfuerzo por el método de elementos finitos. Tras evaluar las ventajas e inconvenientes de cada concepto, seleccionaron el más prometedor. «Este constaba de dos membranas asimétricas en el lado opuesto de una capa intermedia, lo cual proporcionaba tanto estabilidad mecánica como canales de flujo para el gas de ventilación. Los componentes están apilados en una carcasa metálica que forma el módulo», explica el coordinador del proyecto, el doctor Wilhelm Meulenberg.

Los socios del proyecto identificaron y sintetizaron también una amplia gama de materiales a escala de laboratorio para obtener un elevado rendimiento y escalabilidad. Además, llevaron a cabo experimentos de permeación y estabilidad para atmósferas con CO2 y óxido de sulfuro (SOx). La ferrita de cobalto, lantano y estroncio (LSCF, por sus siglas en inglés), que es estable en condiciones de gas de combustión con CO2, se aplicó a gran escala en el módulo de prueba de concepto con el fin de emplearla como material de referencia. Se desarrollaron componentes para membranas finas de LSCF de tamaño completo (7 × 10 cm), que se sellaron en el módulo de prueba de concepto y se probaron en condiciones de funcionamiento reales durante 650 horas.

Los científicos estudiaron la capacidad de los materiales compuestos de fase dual de mantenerse altamente estables en entornos con CO2 y SOx. «Para aumentar el rendimiento de las membranas, se probaron y seleccionaron varios materiales catalíticos activos basados principalmente en praseodimio y óxidos de cerio para su uso como capas superficiales porosas encima de las membranas», explica el doctor Meulenberg. «Se realizaron pruebas de estabilidad con estos materiales en atmósferas que contenían CO2 y SOx y se midió su rendimiento».

Amplia gama de aplicaciones

El consorcio centró la demostración de su tecnología de membranas de transporte de O2 en una película fina asimétrica con un rendimiento superior con respecto a la elevada permeación para el O2, una selectividad de O2 infinita y una elevada estabilidad. Además, se pueden construir más módulos de prueba de concepto optimizados tanto con membranas de LSCF estándares como de fase dual.

Los materiales altamente estables identificados por los socios del proyecto también son prometedores para su uso con tecnologías como los reactores de membranas catalíticas para la producción de vectores energéticos químicos. «Además de la captación de CO2, GREEN-CC puede aplicarse en el ámbito de los reactores de membranas catalíticas para la fabricación de productos químicos genéricos, vectores energéticos químicos, el uso de CO2, la descomposición de residuos o la separación de gases puros», destaca el doctor Meulenberg.

Los resultados de GREEN-CC beneficiarán a los miembros de la comunidad científica que trabajan con membranas de separación de gases y reactores de membranas catalíticas, así como de otros sectores en los que se emplean membranas. Además, beneficiarán al público en general gracias a la captación de CO2 y la mitigación del cambio climático.

Palabras clave

GREEN-CC, separación de gases, captura de carbono, oxicombustión, membranas de transporte de O2
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