El enfoque de nanofiltración puede resolver un cuello de botella para la captura y conversión de Co₂

Utilizando membranas de filtrado a nanoescala, los investigadores del MIT han agregado un paso intermedio simple que hace que el proceso de eliminar el dióxido de carbono del aire sea más eficiente. Crédito: Kripa Varanasi, Simon Rufer, Tal Joseph y Zara Aamer

Eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera de manera eficiente a menudo se considera una necesidad crucial para combatir el cambio climático, pero los sistemas para eliminar el dióxido de carbono sufren una compensación. Los compuestos químicos que eliminan eficientemente el CO₂ del aire no lo liberan fácilmente una vez capturados, y los compuestos que liberan CO₂ de manera eficiente no son muy eficientes para capturarlo. La optimización de una parte del ciclo tiende a empeorar la otra parte.

Ahora, utilizando membranas de filtrado a nanoescala, los investigadores del MIT han agregado un paso intermedio simple que facilita ambas partes del ciclo. El nuevo enfoque podría mejorar la eficiencia de la captura y liberación de dióxido de carbono electroquímico en seis veces y reducir los costos en al menos un 20%, dicen.

Los nuevos hallazgos se informan hoy en la revista ACS Energy Letters, en un artículo de los estudiantes de doctorado del MIT Simon Rufer, Tal Joseph y Zara Aamer, y profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi.

“Necesitamos pensar en la escala desde el principio cuando se trata de captura de carbono, ya que tener un impacto significativo requiere un procesamiento de gigatones de Co₂”, dice Varanasi. “Tener esta mentalidad nos ayuda a identificar cuellos de botella críticos y diseñar soluciones innovadoras con potencial real de impacto. Esa es la fuerza impulsora detrás de nuestro trabajo”.

Muchos sistemas de captura de carbono funcionan utilizando productos químicos llamados hidróxidos, que se combinan fácilmente con dióxido de carbono para formar carbonato. Ese carbonato se alimenta a una célula electroquímica, donde el carbonato reacciona con un ácido para formar agua y liberar dióxido de carbono. El proceso puede tomar aire ordinario con solo unas 400 partes por millón de dióxido de carbono y generar una corriente de dióxido de carbono 100% puro, que luego se puede usar para hacer combustibles u otros productos.

Tanto los pasos de captura como la liberación funcionan en la misma solución a base de agua, pero el primer paso necesita una solución con una alta concentración de iones de hidróxido, y el segundo paso necesita uno alto en iones de carbonato.

“Puedes ver cómo estos dos pasos están en desacuerdo”, dice Varanasi. “Estos dos sistemas están circulando el mismo sorbente de un lado a otro. Están operando exactamente con el mismo líquido. Pero debido a que necesitan dos tipos diferentes de líquidos para operar de manera óptima, es imposible operar ambos sistemas en sus puntos más eficientes”.

La solución del equipo era desacoplar las dos partes del sistema e introducir una tercera parte intermedia. Esencialmente, después de que el hidróxido en el primer paso se ha convertido químicamente en carbonato, las membranas especiales de nanofiltración, luego separan los iones en la solución en función de su carga. Los iones de carbonato tienen una carga de 2, mientras que los iones de hidróxido tienen un cargo de 1.

“La nanofiltración puede separar a estos dos bastante bien”, dice Rufer.

Una vez separados, los iones de hidróxido se devuelven al lado de absorción del sistema, mientras que los carbonatos se envían por delante a la etapa de liberación electroquímica. De esa manera, ambos extremos del sistema pueden funcionar en sus rangos más eficientes. Varanasi explica que en el paso de liberación electroquímica, se están agregando protones al carbonato para causar la conversión a dióxido de carbono y agua, pero si también están presentes iones hidróxido, los protones reaccionarán con esos iones, produciendo solo agua.

“Si no separa estos hidróxidos y carbonatos”, dice Rufer, “la forma en que falla el sistema es que agregará protones al hidróxido en lugar de carbonato, por lo que solo estará haciendo agua en lugar de extraer dióxido de carbono. Ahí es donde se pierde la eficiencia. Usando la nanofiltración para evitar que esto fuera algo que no es consciente de nadie que proponga antes”.

Las pruebas mostraron que la nanofiltración podría separar el carbonato de la solución de hidróxido con aproximadamente el 95% de eficiencia, validando el concepto en condiciones realistas, dice Rufer. El siguiente paso fue evaluar cuánto efecto tendría esto en la eficiencia general y la economía del proceso. Crearon un modelo tecnoeconómico, incorporando eficiencia electroquímica, voltaje, tasa de absorción, costos de capital, eficiencia de nanofiltración y otros factores.

El análisis mostró que los sistemas actuales cuestan al menos $ 600 por tonelada de dióxido de carbono capturado, mientras que con el componente de nanofiltración agregado, eso cae a aproximadamente $ 450 por tonelada. Además, el nuevo sistema es mucho más estable, continúa operando a alta eficiencia incluso bajo variaciones en las concentraciones de iones en la solución.

“En el antiguo sistema sin nanofiltración, estás operando en el borde de un cuchillo”, dice Rufer; Si la concentración varía incluso ligeramente en una dirección u otra, la eficiencia cae drásticamente. “Pero con nuestro sistema de nanofiltración, actúa como un amortiguador donde se vuelve mucho más indulgente. Tienes un régimen operativo mucho más amplio y puedes lograr costos significativamente más bajos”.

Agrega que este enfoque podría aplicarse no solo a los sistemas directos de captura de aire que estudiaron específicamente, sino también a los sistemas de origen puntual, que se unen directamente a las fuentes de emisiones, como las emisiones de las centrales eléctricas, o a la siguiente etapa del proceso, convirtiendo dióxido de carbono capturado en productos útiles como alimentos o alimentos químicos. Esos procesos de conversión, dice, “también son cuellos de botella en esta compensación de carbonato e hidróxido”.

Además, esta tecnología podría conducir a químicas alternativas más seguras para la captura de carbono, Varanasi dice: “Muchos de estos absorbentes a veces pueden ser tóxicos o dañinos para el medio ambiente. Al usar un sistema como el nuestro, puede mejorar la velocidad de reacción, para que pueda elegir químicas que puedan no tener la mejor tasa de absorción inicialmente pero que pueden mejorarse para obtener una seguridad”.

Varanasi agrega que “lo realmente bueno de esto es que hemos podido hacer esto con lo que está disponible comercialmente”, y con un sistema que se puede adaptar fácilmente a las instalaciones existentes de captura de carbono. Si los costos pueden reducirse a aproximadamente $ 200 por tonelada, podría ser viable para la adopción generalizada. Con el trabajo continuo, dice: “Estamos seguros de que tendremos algo que puede volverse económicamente viable” y que en última instancia producirá productos valiosos y vendibles.

Rufer señala que incluso hoy, “la gente está comprando créditos de carbono a un costo de más de $ 500 por tonelada. Por lo tanto, a este costo que estamos proyectando, ya es comercialmente viable, ya que hay algunos compradores que están dispuestos a pagar ese precio”.

Pero al reducir el precio, eso debería aumentar el número de compradores que considerarían comprar el crédito, dice: “Es solo una cuestión de cuán extendidos podemos lograrlo”.

Reconociendo esta creciente demanda del mercado, Varanasi dice: “Nuestro objetivo es proporcionar tecnologías y sistemas escalables, rentables y confiables de la industria que les permitan cumplir directamente con sus objetivos de descarbonización”.

Más información: Simon Rufer et al, Separación de carbonato/hidróxido aumenta la tasa de absorción de CO2 y la eficiencia de liberación electroquímica, ACS Energy Letters (2025). Doi: 10.1021/acsenergylett.5c00893

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/NewsOffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, la innovación y la enseñanza.

Cita: el enfoque de nanofiltración puede resolver un cuello de botella para la captura y conversión de CO₂ (2025, 20 de mayo) Recuperado el 20 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-nanofiltration-proproach-bottleneck-co8322capture.html

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