¿Una solución muy barata? Los materiales de arcilla comunes pueden ayudar a frenar las emisiones de metano

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Con un tratamiento especial, los minerales llamados zeolitas, que se encuentran comúnmente en la arena para gatos, pueden eliminar de manera eficiente los gases de efecto invernadero del aire, informan los investigadores.

Por David L. Chandler

El metano es un gas de efecto invernadero mucho más potente que el dióxido de carbono y tiene un efecto pronunciado dentro de las dos primeras décadas de su presencia en la atmósfera. En las recientes negociaciones climáticas internacionales en Glasgow, la reducción de las emisiones de metano se identificó como una prioridad importante en los intentos de frenar el cambio climático global rápidamente.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha ideado un enfoque prometedor para controlar las emisiones de metano y eliminarlo del aire, utilizando un tipo de arcilla económico y abundante llamado zeolita. Los hallazgos se describen en la revista. ACS Medio Ambiente Au, en un artículo de la estudiante de doctorado Rebecca Brenneis, la profesora asociada Desiree Plata y otras dos personas.

Aunque muchas personas asocian el metano atmosférico con la perforación y el fracking en busca de petróleo y gas natural, esas fuentes solo representan alrededor del 18 por ciento de las emisiones globales de metano, dice Plata. La gran mayoría del metano emitido proviene de fuentes como la agricultura de tala y quema, la ganadería lechera, la extracción de carbón y minerales, los humedales y el derretimiento del permafrost. “Gran parte del metano que ingresa a la atmósfera proviene de fuentes distribuidas y difusas, por lo que comenzamos a pensar en cómo podría sacarlo de la atmósfera”, dice.

La respuesta que encontraron los investigadores fue algo muy barato, de hecho, un tipo especial de “tierra” o arcilla. Utilizaron arcillas de zeolita, un material tan económico que actualmente se utiliza para hacer arena para gatos. El equipo encontró que tratar la zeolita con una pequeña cantidad de cobre hace que el material sea muy efectivo para absorber metano del aire, incluso en concentraciones extremadamente bajas.

El sistema es simple en concepto, aunque queda mucho trabajo por hacer en los detalles de ingeniería. En sus pruebas de laboratorio, diminutas partículas del material de zeolita mejorado con cobre, similar a la arena para gatos, se empaquetaron en un tubo de reacción, que luego se calentó desde el exterior como la corriente de gas, con niveles de metano que van desde solo 2 partes por millón. hasta una concentración del 2 por ciento, fluyó a través del tubo. Ese rango cubre todo lo que podría existir en la atmósfera, hasta niveles subinflamables que no pueden quemarse o quemarse directamente.

El proceso tiene varias ventajas sobre otros enfoques para eliminar el metano del aire, dice Plata. Otros métodos tienden a usar catalizadores costosos como el platino o el paladio, requieren altas temperaturas de al menos 600 grados centígrados y tienden a requerir ciclos complejos entre corrientes ricas en metano y ricas en oxígeno, lo que hace que los dispositivos sean más complicados y más riesgosos, ya que el metano y el oxígeno son altamente combustibles solos y en combinación.

“Los 600 grados a los que hacen funcionar estos reactores hacen que sea casi peligroso estar cerca del metano”, así como del oxígeno puro, dice Brenneis. “Están resolviendo el problema simplemente creando una situación en la que habrá una explosión”. Otras complicaciones de ingeniería también surgen de las altas temperaturas de funcionamiento. Como era de esperar, tales sistemas no han encontrado mucho uso.

En cuanto al nuevo proceso, “creo que todavía estamos sorprendidos de lo bien que funciona”, dice Plata, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental de Gilbert W. Winslow. El proceso parece tener su máxima eficacia a unos 300 grados centígrados, lo que requiere mucha menos energía para calentar que otros procesos de captura de metano. También puede funcionar en concentraciones de metano más bajas que las que pueden abordar otros métodos, incluso pequeñas fracciones del 1 por ciento, que la mayoría de los métodos no pueden eliminar, y lo hace en el aire en lugar de oxígeno puro, una gran ventaja para el despliegue en el mundo real.

El método convierte el metano en dióxido de carbono. Eso puede sonar como algo malo, dados los esfuerzos mundiales para combatir las emisiones de dióxido de carbono. “Muchas personas escuchan ‘dióxido de carbono’ y entran en pánico; dicen ‘eso es malo’”, dice Plata. Pero señala que el dióxido de carbono tiene un impacto mucho menor en la atmósfera que el metano, que es unas 80 veces más fuerte como gas de efecto invernadero durante los primeros 20 años, y unas 25 veces más fuerte durante el primer siglo. Este efecto surge del hecho de que el metano se convierte naturalmente en dióxido de carbono con el tiempo en la atmósfera. Al acelerar ese proceso, este método reduciría drásticamente el impacto climático a corto plazo, dice. E incluso convertir la mitad del metano de la atmósfera en dióxido de carbono aumentaría los niveles de este último en menos de 1 parte por millón (alrededor del 0,2 por ciento del dióxido de carbono atmosférico actual) y ahorraría alrededor del 16 por ciento del calentamiento radiativo total.

La ubicación ideal para tales sistemas, concluyó el equipo, sería en lugares donde hay una fuente relativamente concentrada de metano, como establos de lácteos y minas de carbón. Estas fuentes ya suelen tener potentes sistemas de tratamiento de aire, ya que la acumulación de metano puede ser un peligro de incendio, salud y explosión. Para superar los detalles de ingeniería sobresalientes, el equipo acaba de recibir una subvención de $2 millones del Departamento de Energía de EE. UU. para continuar desarrollando equipos específicos para la eliminación de metano en este tipo de lugares.

“La principal ventaja de extraer aire es que lo movemos mucho”, dice. “Hay que aspirar aire fresco para permitir que los mineros respiren y para reducir los riesgos de explosión de las bolsas de metano enriquecido. Entonces, los volúmenes de aire que se mueven en las minas son enormes”. La concentración de metano es demasiado baja para encenderse, pero está en el punto óptimo de los catalizadores, dice ella.

La adaptación de la tecnología a sitios específicos debería ser relativamente sencilla. La configuración de laboratorio que el equipo usó en sus pruebas constaba de “solo unos pocos componentes, y la tecnología que pondrías en un establo de vacas también podría ser bastante simple”, dice Plata. Sin embargo, grandes volúmenes de gas no fluyen tan fácilmente a través de la arcilla, por lo que la siguiente fase de la investigación se centrará en formas de estructurar el material arcilloso en una configuración jerárquica multiescala que ayude al flujo de aire.

“Necesitamos nuevas tecnologías para oxidar el metano en concentraciones inferiores a las que se utilizan en las antorchas y los oxidantes térmicos”, dice Rob Jackson, profesor de ciencias de los sistemas terrestres en la Universidad de Stanford, que no participó en este trabajo. “Actualmente, no existe una tecnología rentable para oxidar el metano en concentraciones por debajo de las 2000 partes por millón”.

Jackson agrega: “Quedan muchas preguntas para escalar este y todos los trabajos similares: ¿Qué tan rápido se ensuciará el catalizador en condiciones de campo? ¿Podemos acercar las temperaturas requeridas a las condiciones ambientales? ¿Qué tan escalables serán tales tecnologías cuando se procesen grandes volúmenes de aire?

Una de las principales ventajas potenciales del nuevo sistema es que el proceso químico involucrado libera calor. Al oxidar catalíticamente el metano, en efecto, el proceso es una forma de combustión sin llama. Si la concentración de metano está por encima del 0,5 por ciento, el calor liberado es mayor que el calor utilizado para iniciar el proceso, y este calor podría utilizarse para generar electricidad.

Los cálculos del equipo muestran que “en las minas de carbón, se podría generar suficiente calor para generar electricidad a escala de la planta de energía, lo cual es notable porque significa que el dispositivo podría pagarse solo”, dice Plata. “La mayoría de las soluciones de captura de aire cuestan mucho dinero y nunca serían rentables. Nuestra tecnología puede ser algún día un contraejemplo”.

Con el nuevo dinero de la subvención, dice, “durante los próximos 18 meses pretendemos demostrar una prueba de concepto de que esto puede funcionar en el campo”, donde las condiciones pueden ser más desafiantes que en el laboratorio. En última instancia, esperan poder fabricar dispositivos que sean compatibles con los sistemas de manejo de aire existentes y que simplemente puedan ser un componente adicional agregado en su lugar. “La aplicación de la minería del carbón está destinada a estar en una etapa en la que podría pasar a un constructor o usuario comercial dentro de tres años”, dice Plata.

Además de Plata y Brenneis, el equipo incluía al estudiante de doctorado de la Universidad de Yale, Eric Johnson, y al ex postdoctorado del MIT, Wenbo Shi. El trabajo fue apoyado por Gerstner Philanthropies, Vanguard Charitable Trust, Betty Moore Inventor Fellows Program y el Comité de Apoyo a la Investigación del MIT.

Publicado originalmente enOficina de noticias del MIT.

Foto por robot de basura sobre Unsplash

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Es el momento, te dejo hasta una próxima vez. ¡Hasta la vista!

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