Un nuevo material, sencillo y económico, para la captura de dióxido de carbono

Como muy bien sabemos, el calentamiento global marcha a pasos agigantados debido al aumento de la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera, especialmente por las emisiones de dióxido de carbono procedente de la quema de combustibles fósiles, lo que ha tenido repercusiones ambientales importantes. En este sentido muchos países y organismos han instado al resto del mundo a reducir la emisión de gases de invernadero, estableciendo como objetivo global alcanzar la neutralidad en carbono para el 2050. Ahora, gracias a un polímero muy económico denominado melanina, un grupo de químicos han desarrollado una forma barata y energéticamente más eficiente para capturar dióxido de carbono desde el propio lugar de generación.

Nuevo material derivado de la melamina para la captura de dióxido de carbono. Fuente: Imagen editada en Poerpoint, original de Pixabay.com.

La captura y secuestro de carbono surge como una técnica que podría utilizarse para contribuir en el logro del objetivo de un balance de cero emisiones, aunado a una disminución progresiva del uso de combustibles fósiles; sin embargo son muchos los desafíos que aún debe afrontar esta técnica, especialmente lo referente a los costos y el consumo de energía. Pero con eso último en mente, se han realizado grandes esfuerzos por desarrollar nuevos materiales que reduzcan tanto los costos como el consumo de energía, haciéndolos más amigables con el ambiente y más eficientes.

En este campo de desarrollo se han investigado mucho las poliaminas acuosas, debido a su facilidad para la fijación espontanea de CO₂ y su bajo costo, sin embargo han presentado desventajas importantes, como la descomposición en aminas volátiles y la cantidad de energía necesaria para regenerar el disolvente, además de otros problemas que han suscitado del uso de las mismas, como corrosión de las líneas y equipos, y la generación de emisiones peligrosas para la salud de las personas.

Entre las propuestas realizadas para resolver estas limitaciones de las poliaminas y mejorar su aplicabilidad en la captura de carbono, se cuenta la utilización de adsorbentes funcionalizados con aminas en lugar de usar poliaminas acuosas, ya que esto evitaría la generación de sustancias peligrosas y corrosivas sin afectar la selectividad de las aminas por el CO₂.

Diferentes tipos de aminas. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.

Es difícil establecer un mecanismo de reacción entre las aminas y el CO₂, ya que las diferentes estructuras de las aminas primarias, secundarias y terciarias, así como de las poliamidas, proporcionan igualmente diferentes mecanismos, pero en general se puede decir que las aminas primarias y secundarias dan lugar a la formación de un carbamato:

En el caso de las aminas terciarias los carbamatos producidos son poco estables y en la reacción se produce el anión bicarbonato. Y en lo que refiere a las poliamidas, existe un mayor número de mecanismos mediante los cuales puede darse la reacción.

Ahora bien, aunque la funcionalización de aminas con marcos de metal-orgánico han demostrado una alta capacidad de adsorción, hay gran interés por desarrollar adsorbentes porosos basados en polímeros, ya que se pueden sintetizar sin la presencia de metales, lo que los hace más económicos y sostenibles, características muy deseadas para producirlos en masa.

Es por ello que un equipo de investigadores procedentes principalmente de las Universidades de Berkeley y Stanford trabajo para producir una red nanoporosa de melamina (MNNs) en estado sólido, con adición de poliaminas y estabilizadas con ácido cianúrico, para lograr una captura de CO₂ más eficiente, de gran capacidad y escalable.

Este nuevo material es muy fácil de producir, ya que básicamente requiere polvo de melanina, una aminorresinas que constituye el principal componente del adhesivo usado para hacer madera aglomerada y formica, y que está muy disponible en el mercado, siendo además muy barato, mientras que el formaldehído y ácido cianúrico, también son productos químicos asequibles, incluso el último se agrega como estabilizante del cloro en las piscinas.

Estructura de la melamina. Fuente: wikipedia.org.

Al tratar el polvo de melammina con formaldehido lograron crear poros a nanoescala que le permitieron a la melanina adsorber algo de CO₂, pero al agregar dietilentriamina (DETA), otra sustancia que contiene aminas, lograron mejorar la adsorción sobre este material. Posteriormente, se descubrió que al añadir ácido cianúrico durante la reacción de polimerización aumentó considerablemente el tamaño de los poros y la adsorción de CO₂, encontrando que una mezcla de combustión simulada fue adsorbida en casi completamente en poco tiempo.

Estructura de MNNs modificada con DETA. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.

Las isotermas de adsorción fueron medidas a 298K con CO₂ como gas portador, encontrándose que la coordinación de la poliamina y el ácido cianúrico provee a la red porosa de una alta capacidad de adsorción, registrando 1,82 milimoles por gramo a 1 bar, en un tiempo de adsorción de menos de 1 minuto, lo que representa una extraordinaria estabilidad a los ciclos de los gases de combustión.
Por otro lado, la red porosa de melamina modificada con DETA y ácido cianúrico logró la captura de captura de CO₂ a 40 °C, y logró su liberación de la red a 80 °C, temperaturas considerablemente bajas que suponen un menor consumo de energía considerable en comparación con otros sistemas de aminas donde la mezcla debe calentarse a aproximadamente 150 °C para liberar el CO₂ y regenerar el adsorbente.

El MNNs actuaria como una red capturando el CO₂. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.

Esperemos que esta investigación siga avanzando y se logren desarrollar nuevas técnicas para la fabricación de materiales económicos y sostenibles que permitan abordar a mayor escala el problema del calentamiento global a causa de la emisión de CO₂.

Bueno amigos, espero les haya gustado la información. ¡Hasta la próxima!

Referencias

Naciones Unidas. Neutralidad en carbono para 2050.

Wikipedia.org. Melamina

Haiyan Mao et al.; A scalable solid-state nanoporous network with atomic-level interaction design for carbon dioxide capture; Science Advances; 2022

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