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Introducción
El problema ocasionado por las emisiones de CO2 a la atmósfera se ha incrementado en las últimas décadas, el cambio climático está afectando seriamente a la humanidad, el factor principal para el incremento se debe al crecimiento poblacional, el cual impacta directamente en una mayor demanda de energía, así como las fuentes para obtenerla. Por consiguiente, se requiere de una economía menos intensiva en carbono que permita reducir las emisiones de CO2 y mitigar el cambio climático.
La captación de dióxido de carbono, se considera una de las opciones para reducir las emisiones atmosféricas de CO2 generadas por actividades humanas. El propósito del presente trabajo es evaluar soluciones poliméricas para determinar cuáles son las condiciones apropiadas para la absorción de CO2.
En México, la tecnología de almacenamiento geológico de carbono se considera la alternativa más importante para mitigar los efectos de la emisión de CO2 provenientes de fuentes fijas como centrales de generación eléctrica, refinerías, industria siderúrgica y cementera, entre otras (Villavicencio, 2015).
México contribuye con 1.67% del total de las emisiones anuales de gases de efecto invernadero a nivel mundial (W.R. Institute, 2015). Ocupa el undécimo lugar entre los países con mayores emisiones. El total de emisiones de gases de efecto invernadero son alrededor de 709 millones de toneladas, de las cuales 493 millones de toneladas corresponden a CO2. La entidad federativa con mayores emisiones es Coahuila con un total de 24 millones de toneladas de CO2. El segundo lugar lo ocupa Tamaulipas con una aportación del orden de 19 millones, le siguen Campeche y Veracruz, ambas del orden de 15.5 millones de toneladas de CO2, respectivamente (Resnik, 2004).
En este trabajo se toma como proceso alternativo a los convencionales de absorción mediante etanol aminas y a los estudios realizados con base en líquidos iónicos, el uso del quitosano como agente que capture el CO2.
El quitosano es un biomaterial derivado de la desacetilación de la quitina, que es el segundo polímero natural más abundante después de la celulosa y tiene una estructura similar a esta (Foster, 1960). La quitina tiene dos grupos hidroxilos mientras que el quitosano tiene un grupo amina y dos grupos hidroxilos. Las propiedades biocompatibles y biodegradables del quitosano lo hacen especialmente útil para fertilizantes, membranas de separación industrial, resinas de intercambio iónico, farmacéuticos, cosmetología y así sucesivamente. Es necesario para algunas de las aplicaciones realizar una modificación química de este biopolímero. Para hacer dichas modificaciones considerar que el quitosano es insoluble en solventes orgánicos convencionales y es soluble en algunos ácidos diluidos (Sun, 2014; Dash, 2011). El quitosano tiene un valor de pKa que está alrededor de 6.5, razón por la cual posee una ligera carga positiva y es soluble en medios ácidos diluidos y también está en función del valor DA (grado de desacetilación). Es por ello que puede utilizarse como bioadhesivo y puede ligarse a las superficies cargadas negativamente (Kumar, 2004).
Antecedentes
La tecnología de absorción química es la tecnología más madura para la captura de CO2 y ha sido comercializada por muchas décadas, aunque no para la captura de CO2 en centrales eléctricas. Sin embargo, esta tecnología tiene severas desventajas incluyendo la baja capacidad de carga de CO2, alta velocidad de corrosión en los equipos, degradación de las aminas por SO2, NO2 y O2 en el gas de combustión que induce a una alta tasa de distribución de absorbente, alto consumo de energía durante la regeneración del absorbente a altas temperaturas, y por último, gran tamaño de los equipos (Resnik, 2004; Haszeldine, 2009).
La absorción química es adecuada para capturar el CO2 de los gases que son altamente diluidos (~ 10-15%). La absorción con disolventes basados en aminas se ha estudiado y considerado como la tecnología más eficaz para la captura de CO2 (Rao, 2002; Mandal, 2003). La reacción amina-CO2 puede ser revertida mediante el aumento de la temperatura.
Actualmente los procesos con solvente disponibles comercialmente para el tratamiento del CO2 son: De Kerr-McGee (MEA en agua), ABB Lummus y Flúor-Daniel (Econamina), BASF (MDEA en agua) y Kansas Electric Mitsubishi (aminas con impedimento estérico).
Entre la gran variedad que existe de líquidos iónicos, se ha demostrado que aquéllos que se basan en sales de imidazolio presentan una mayor efectividad en la separación de CO2 de CH4 (Santamaría, 2014), así como en la separación del par CO2/N2 (Morgan, 2005). También se han realizado estudios acerca de la influencia de la estructura del líquido iónico sobre la efectividad en dicha separación (Uchytil, 2011), donde los principales líquidos iónicos se prueban basados en la estructura 1-etil, 3-metilimidazolio y 1-butil, 3-metilimidazolio como catión, variando la parte aniónica en estructuras tales como: [TfO]-, [Tf2N]-, [BF4]-, [PF6]- (Scovazzo, 2009).
Experimentación
Se usa agua destilada como blanco para la experimentación. Se preparan soluciones acuosas de MEA a 30%, de quitosano a 0.5 y 3.0% y quitosano con líquidos iónicos. Los líquidos iónicos utilizados son bromuro de 1-hexil-3-metilimidazolio (HMIN-Br), líquido iónico eutéctico con y sin Li2O, Bromuro de 1-etil-3-metilimidazolio (EMIN-Br). Los reactivos son marca Aldrich y gases de alta pureza (<99.96%), marca Prax Air.
El procedimiento experimental que se realiza se describe a continuación: En una celda de acero inoxidable (Figura 1) se colocan tres gramos de absorbente, se desgasifica generando vacío por 3 minutos. A continuación, se transfiere un volumen de 243ml CO2. Se cierra la válvula de la celda de absorción y el contenido se mezcla a 300 rpm. La celda se mantiene a una temperatura de 30 °C. Al alcanzar el sistema el equilibrio, la experimentación se detiene, La absorción se realiza a temperatura constante, a una presión en un rango de 1 a 6 atm y diluciones de 0.5 a 30% para definir las variables con mayor influencia en la absorción de CO2 en las disoluciones.
Análisis de resultados
En el experimento realizado para cuantificar la absorción de CO2 en agua destilada (Figura 2) se observa que la velocidad de absorción es baja e igual a 3.5.
La absorción de CO2 en MEA (Figura 3) es más eficiente que la que se lleva a cabo en agua destilada. La velocidad de absorción en MEA es de 561.
La velocidad de absorción de CO2 en 10 g de una solución de quitosano a 3% (Figura 4) es de 53.45.
En la Figura 5 se muestra el comportamiento de la absorción de CO2 en una masa de 10 g de una solución de quitosano a 3%, a 3 atm de presión y 30 °C de temperatura. La velocidad de absorción es de 108.9.
En el gráfico siguiente (Figura 6), de la solución anterior modificando la presión a 1 atmósfera. De acuerdo con el resultado que se obtuvo, se demuestra lo que se afirma en la literatura, es decir, que disminuyendo la presión la capacidad de absorción disminuye. La velocidad de absorción que se obtiene es igua a 58.42.
La absorción de CO2 en 10 g de una solución de quitosano a 0.5%, a una temperatura de 30 °C y 3 atm de presión, se presenta en la Figura 7. La velocidad de absorción observada es igual a 1102.3.
Al disminuir la viscosidad de la solución de quitosano (0.5%) agregando agua destilada, los resultados fueron mejores que para las otras soluciones, sin embargo, la velocidad de absorción no se favorece.
En la Figura 8, se presenta el comportamiento de la absorción de CO2 en 10 g de una solución de HMIN-Br, a 30 °C de temperatura y una presión de 3 atm. La velocidad de absorción es de 6.67.
A partir de la Figura 9, que es el comportamiento de la absorción de CO2 en 10 g de una solución de EMIN-Br, a una temperatura de 30 °C y 3 atm de presión, se determinó que la velocidad de absorción del CO2 es 15.43.
La velocidad de absorción del CO2 en 10 g de una solución de líquido iónico eutéctico con Li2O, a una temperatura de 30 °C y 1 atm de presión de acuerdo con la Figura 10 es de 20.
Figura 10 Absorción de CO2 en 10 g de una solución de líquido iónico eutéctico con Li2O, 30 °C y 1 atm
En la Figura 11 se presenta el comportamiento de la misma solución anterior incrementando la presión a 3 atm. La velocidad de absorción del CO2 es de 10, disminuye la velocidad de absorción 50% al modificar la presión.
Figura 11 Absorción de CO2 en 10 g de una solución de líquido iónico eutéctico con Li2O, 30 °C y 3 atm
La velocidad de absorción empleando el liquido iónico eutéctico sin Li2O es de 14. El comportamiento de la absorción del CO2 se observa en la Figura 12.
Figura 12 Absorción de CO2 en 10 g de una solución de líquido iónico eutéctico sin Li2O, 30 °C y 3 atm
En la siguiente Tabla 1, se presentan los resultados que se obtienen en este trabajo de la capacidad de absorción de las diferentes soluciones de absorbentes utilizados, así como las condiciones de operación
Tabla 1 Resultados experimentales de las diferentes soluciones utilizadas
| Sustancia | Presión (atm) |
Temperatura (°C) |
Cantidad de Abs. (g) |
Capacidad de Abs. mg CO2/gSust |
|---|---|---|---|---|
| Agua destilada | 3 | 30 | 10 | 7 |
| MEA 30% | 3 | 30 | 3 | 374 |
| Quitosano 3% | 1 | 30 | 10 | 49 |
| Quitosano 3% | 3 | 30 | 10 | 127 |
| Quitosano 3% | 6 | 30 | 10 | 331 |
| Eut-Li2O 30% | 1 | 30 | 10 | 10 |
| Eut-Li2O 30% | 3 | 30 | 10 | 18 |
| Eut s/Li2O 30% | 3 | 30 | 10 | 15 |
| EMIN-Br 30% | 3 | 30 | 10 | 13 |
| HMIN-Br 30% | 3 | 30 | 10 | 14 |
De acuerdo con lo observado la variación de la presión y la concentración generan cambios notables en la capacidad de absorción en las soluciones. Como era de esperarse, el agua destilada tiene una capacidad de absorción baja, ya que el CO2 es poco soluble en agua, y por tanto suele estar separado como gas. Por el contrario, la MEA, con tan solo 3 g, a las mismas condiciones que la mayoría de las demás disoluciones, absorbe 374 mgCO2/g MEA, tal como se reporta en la literatura.
Es notorio que la eficiencia de absorción de la solución de quitosano no mejora con el incremento de la concentración. Para una presión de 1 atmósfera se aprecia que la absorción ocurre en un menor tiempo (10 min) es razonable, ya que se esta absorbiendo una menor cantidad de CO2. El valor de la capacidad de absorción calculado es de 48 mg de CO2/g de Quitosano, que comparado con la MEA a 3 atmósferas es 10% de su absorción, y de la misma solución, pero a 3 atm es un 38% lo que se absorbe.
El HMIN-Br (Bromuro de 1-hexil-3-metilimidazolio), la capacidad de absorción resultó ser de 13.64 mg de CO2/g de HMIN-Br, muy probablemente eso se deba al pKa del líquido iónico que le confiere el anión Br por su electronegatividad. La capacidad de absorcion del EMIN-Br (bromuro de 1-etil-3-metilimidazolio) es 12.66 mg de CO2/g de EMIN-Br menor que la del HMIN-Br, esto se debe a que el aumento de la longitud de las cadenas de alquilo tiende a aumentar la solubilidad del CO2.
La capacidad de absorción del líquido iónico eutéctico con Li2O es de 18 mg de CO2/g de líquido iónico a una presión de 3 atm, ocho unidades mayor a la que se obtiene a 1 atm, y tres unidades mayor que para cuando solo se utilizó el liquido iónico eutéctico sin Li2O. Lo cual puede atribuirse al pH por la presencia del Li2O y muy probablemente la absorción es química.
Conclusiones
La eficiencia en la capacidad de absorción aumenta conforme disminuye la cantidad de quitosano en las soluciones.
Las soluciones de quitosano a 3% y 0.5% muestran una mejor capacidad de absorción que los líquidos iónicos.
La máxima capacidad de absorción que se obtuvo en líquidos iónicos fue para el caso del eutéctico a 30% y a 3 atm, con una capacidad de absorción de 18 mg CO2/ g de líquido iónico.
El trabajo actual podría ofrecer nuevas estrategias para la expansión de la modificación química y las aplicaciones de estos polímeros biodegradables. Es posible la polimerización de algunos líquidos iónicos formándose polímeros iónicos con capacidades de absorción de CO2 mayores que las de sus ILs precursores, debido a mayores velocidades de absorción y desorción. Además, el valor de pKa del ácido del anión correspondiente juega un papel clave sobre el tipo de captura (química o física) y por lo tanto sobre la capacidad de absorción de CO2 observándose que cuanto mayor es el valor de pKa mayor es la capacidad de captura.
