Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte descubrieron que podían filtrar el dióxido de carbono del aire y las mezclas de gases a tasas prometedoras utilizando un nuevo filtro propuesto a base de textiles que combina tela de algodón y una enzima llamada anhidrasa carbónica, una de las herramientas de la naturaleza para acelerar las reacciones químicas.

Los hallazgos de las pruebas iniciales de laboratorio representan un paso adelante en el desarrollo de una posible nueva tecnología de captura de carbono que podría reducir las emisiones de dióxido de carbono de las centrales eléctricas de biomasa, carbón o gas natural. Y aunque sería necesario aumentar significativamente el tamaño del filtro, los investigadores creen que su diseño facilitaría ese paso en comparación con otras soluciones propuestas.

« Con esta tecnología, queremos detener las emisiones de dióxido de carbono en la fuente, y las centrales eléctricas son la principal fuente de emisiones de dióxido de carbono en este momento », dijo el autor principal del estudio, Jialong Shen, investigador postdoctoral en NC State. « Creemos que la principal ventaja de nuestro método en comparación con la investigación dirigida de manera similar es que nuestro método podría ampliarse fácilmente utilizando las instalaciones tradicionales de fabricación de textiles ».

La pieza central del diseño del equipo de investigación para un filtro químico basado en textiles propuesto es la enzima anhidrasa carbónica natural, que puede acelerar una reacción en la que el dióxido de carbono y el agua se convertirán en bicarbonato, un compuesto del bicarbonato de sodio. La enzima juega un papel importante en el cuerpo humano; ayuda a transportar el dióxido de carbono para que pueda ser exhalado.

« Tomamos prestada esta maravillosa enzima en nuestro proceso para acelerar la absorción de dióxido de carbono en una solución acuosa », dijo Shen.

Para crear el filtro, los investigadores adhirieron la enzima a una tela de algodón de dos capas sumergiendo la tela en una solución que contenía un material llamado quitosano, que actúa como un pegamento. El quitosano atrapa físicamente la enzima, haciendo que se adhiera a la tela.

Luego, los investigadores realizaron una serie de experimentos para ver qué tan bien su filtro separaría el dióxido de carbono de una mezcla de aire de dióxido de carbono y nitrógeno, simulando los niveles emitidos por las centrales eléctricas. Enrollaron la tela en forma de espiral para poder introducirla en un tubo. Empujaron el gas a través del tubo, junto con una solución a base de agua. A medida que el dióxido de carbono reaccionaba con el agua de la solución y la enzima, se convertía en bicarbonato y goteaba por el filtro y el tubo. Luego, capturaron la solución de bicarbonato y la eliminaron.

Cuando empujaron aire a través del filtro a una velocidad de 4 litros por minuto, pudieron extraer el 52,3 % del dióxido de carbono con un filtro de una sola pila y el 81,7 % con un filtro de doble pila. Si bien los hallazgos son prometedores, necesitan probar el filtro contra las tasas de flujo de aire más rápidas que se utilizan en las centrales eléctricas comerciales. A modo de comparación, una operación a gran escala necesitaría procesar más de 10 millones de litros de gas de combustión por minuto. Los investigadores están trabajando con colaboradores para probar a mayor escala y comparar su tecnología con otras tecnologías comparables en estudio.

« Es una historia aún en progreso, pero obtuvimos algunos resultados iniciales realmente emocionantes », dijo la coautora del estudio, Sonja Salmon, profesora asociada de ingeniería textil, química y ciencia en NC State. « Hemos hecho un progreso muy significativo ».

Además de probar las tasas de captura de carbono de los filtros, también probaron qué tan bien funcionaría el filtro después de cinco ciclos de lavado, secado y almacenamiento. Descubrieron que podía mantener un alto nivel de rendimiento.

« La enzima se puede mantener a una temperatura más baja durante mucho tiempo y será duradera », dijo Shen. « La tela le proporciona soporte físico y estructura, al tiempo que proporciona una gran superficie para que reaccione con el dióxido de carbono ».

Capturar el dióxido de carbono es solo una parte del proceso; también están trabajando en el problema de cómo reciclar el líquido después de que sale del filtro, así como en el proceso de convertir el bicarbonato nuevamente en dióxido de carbono para poder almacenarlo. y eliminado, o utilizado para otros fines comerciales.

« Queremos regenerar la solución de agua que usamos con el filtro para poder usarla una y otra vez », dijo Salmon. « Ese lado del proceso necesita más trabajo, para que la energía de regeneración del solvente sea lo más baja posible ».

Los investigadores dicen que se necesitan nuevas tecnologías para la captura de carbono que requieran menos energía que las tecnologías de captura de carbono comercializadas existentes, algunas de las cuales se usan solo para filtrar el dióxido de carbono y devolverlo a la atmósfera. Esperan que su sistema de captura de carbono pueda ayudar a reducir el costo para ayudar a impulsar la adopción.

« Hay muchas formas diferentes de capturar el dióxido de carbono », dijo Shen. « El estándar actual en el entorno comercial usa una reacción que es tan rápida, tan robusta y que une el dióxido de carbono tan bien que no se puede sacar fácilmente el dióxido de carbono. Tienes que usar temperaturas muy altas, lo que significa mucho consumo de energía. Eso encarece su proceso ».

El estudio, « Anhidrasa carbónica inmovilizada en empaques estructurados textiles mediante atrapamiento de quitosano para la captura de CO2 », se publicó en línea en ACS Sustainable Chemistry & Engineering. Los coautores incluyeron a Yue Yuan, quien completó su Ph.D. en el equipo de Salmón. El estudio fue apoyado por NC State y por Alliance for Sustainable Energy, contratista administrador y operador del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) para el Departamento de Energía de EE. UU. a través de un proyecto financiado por la Oficina de Tecnologías de Bioenergía (BETO), como una colaboración entre NREL, NC State y el Centro de Investigación de Energía Aplicada de la Universidad de Kentucky, usando enzimas de Novozymes.