Convocatorias

DESAFÍO DE INNOVACIÓN 2022

Registrarse
para participar
Ingresar si ya estás registrado

¿Cómo diseñar, obtener y probar materiales de carbono sorbentes con alta capacidad de captura de CO2, partiendo de coque de petróleo?


Dirigido a: Empresas Participantes, Alianzas Interinstitucionales, Centros de Desarrollo Tecnológico y/o Productivo. , Instituciones de Educación Superior.
Premios disponibles: $ 120,000,000
Fecha apertura: 21 de marzo de 2022
Fecha cierre: 24 de junio de 2022
Resultados preliminares: 08 de julio de 2022
Resultados definitivos: 22 de julio de 2022
Caracterización No.4 Terminos de Referencia No.4 Adenda Desafío No.4
Requisitos según participante
Empresas Participantes Alianzas Interinstitucionales Centros de Desarrollo Tecnológico y/o Productivo. Instituciones de Educación Superior

ANTECEDENTES:

El dióxido de carbono (CO2) es un gas de efecto invernadero: un gas que absorbe e irradia calor. Calentadas por la luz solar, las superficies terrestres y oceánicas de la Tierra irradian continuamente energía térmica infrarroja (calor). A diferencia del oxígeno o el nitrógeno (que constituyen la mayor parte de nuestra atmósfera), los gases de efecto invernadero absorben ese calor y lo liberan gradualmente con el tiempo, como los ladrillos en una chimenea después de apagar el fuego. Sin este efecto invernadero natural, la temperatura anual promedio de la Tierra estaría por debajo del punto de congelación. Sin embargo, los aumentos en los gases de efecto invernadero han desequilibrado el estado energético de la Tierra, atrapando calor adicional y elevando la temperatura promedio del planeta.

El dióxido de carbono es el más importante de los gases de efecto invernadero de larga duración de la Tierra. Absorbe menos calor por molécula que gases de efecto invernadero tales como el metano o el óxido nitroso, pero es más abundante y permanece en la atmósfera mucho más tiempo. Los aumentos en el dióxido de carbono atmosférico son responsables de aproximadamente dos tercios del desequilibrio total de energía que está provocando el aumento de la temperatura de la Tierra.

Otra razón por la que el dióxido de carbono es importante en el sistema terrestre es que se disuelve en el océano. Reacciona con las moléculas de agua, produciendo ácido carbónico y bajando el pH del océano (aumentando su acidez). Desde el comienzo de la Revolución Industrial, el pH de las aguas superficiales del océano ha bajado de 8,21 a 8,10. Esta caída en el pH se llama acidificación del océano. Una caída de 0,1 puede no parecer mucho, pero la escala de pH es logarítmica; una caída de 1 unidad en el pH significa un aumento de diez veces en la acidez. Un cambio de 0,1 significa un aumento de acidez de aproximadamente un 30 %. El aumento de la acidez interfiere con la capacidad de la vida marina para extraer calcio del agua para construir sus caparazones y esqueletos. Un pH más bajo de los océanos significará una reducción de la biota marina y un cambio completo de la distribución de las especies y sus hábitats.

Los efectos de este impacto global son demasiado grandes para ser ignorados y demasiado complicados de predecir. Por lo tanto, el capital científico y político, debe usarse inmediatamente para mitigar las emisiones de CO2 y reducir sus niveles en la atmosfera. Para mitigar el CO2 de manera efectiva y económica, la investigación se ha dirigido a mejorar la captura y almacenamiento de CO2. Existen distintas tecnologías para la captura de CO2, que se puede clasficar de la siguiente manera:


La tecnología más ampliamente utilizada para la captura de CO2 desde gases de combustión (flue gas) es la absorción en depuradores (scrubbers) a través de soluciones de aminas tales como MEA (monoetanolamina), DEA (dietanolamina), MDEA (metildietanolamina), o mezclas de diferentes aminas. Las principales limitaciones de esta tecnología son la alta energía requerida para la regeneración del solvente, la estabilidad de la amina en las condiciones de temperatura de regeneración y la afectación de la estabilidad y desempeño del solvente asociadas a las impurezas en el gas de combustión.

Grandes esfuerzos se han realizado en la búsqueda de materiales nuevos y eficientes para la separación por absorción del CO2. Los líquidos iónicos (ILs), sales líquidas compuestas de cationes y aniones se han propuesto como solventes promisorios para reemplazar los basados en aminas. Las propiedades de los ILs incluyen baja volatilidad, alta solubilidad de CO2, buena estabilidad térmica y la posibilidad de ajustar sistemáticamente su estructura hacia ciertas propiedades. No obstante, muchos ILs y TSILs (task-specific ILs) o ILs modificados con aminas, sufren de un problema común de alta viscosidad después de la absorción de CO2, así, uno de los principales desafíos en esta tecnología es encontrar rutas viables económicamente para la síntesis de estos materiales.

Los materiales sorbentes para la captura de CO2 (un sorbente es un material sólido que puede hacer tanto la adsorción como la desorción) son la clave en todos los esfuerzos. Dentro de las opciones para la captura de CO2 por adsorción en materiales sólidos se encuentran las zeolitas, los basados en carbono y los denominados MOFs (Metal Organic Frameworks).

Las zeolitas son materiales porosos cristalinos de aluminosilicatos disponibles naturalmente y preparados sintéticamente. La estructura de la zeolita se compone de tetraedros de átomos T, donde T es Si o Al conectados por átomos de oxígeno para formar anillos de diferentes estructuras de poros y tamaños. El tamaño de poro varía entre 5 a 12 Å y son ampliamente utilizados en refinación, síntesis de químicos y separación de gas. El CO2 puede ser adsorbido en las zeolitas a través de diferentes mecanismos tales como tamizado molecular basado en la diferencia de tamaño, la separación toma lugar teniendo en cuenta las interacciones de polarización entre la molécula de gas y el campo eléctrico sobre los cationes cargados en la estructura de la zeolita. La remoción de CO2 con zeolitas puede ser controlada cambiando el tamaño de poro, la polaridad y la naturaleza del catión. La zeolita más ampliamente estudiada y considerada como referencia para los adsorbentes es la 13X. La naturaleza hidrofílica de muchas estructuras de zeolitas se considera un gran inconveniente especialmente en las aplicaciones para postcombustión, el agua compite con el CO2 en los sitios disponibles de adsorción y podría influir en la estructura de la zeolita.

Los materiales adsorbentes basados en carbono se han usado para la separación de CO2 en diferentes formas: carbón activado (ACs), nanotubos de carbono (CNTs) y grafenos. El carbón activado tiene una estructura porosa amorfa con gran área superficial disponible para la captura del CO2.

El carbon activado no presenta sitios activos para vincular el CO2 adsorbido como lo son los cationes en las zeolitas. La débil interacción resulta en una baja entalpía y menor requerimiento de energía para la regeneración.

El carbón activado presenta baja adsorción de CO2 en bajas presiones debido a la ausencia de campos eléctricos sobre la superficie. A pesar de estas falencias, los carbones activados continúan siendo ampliamente investigados por su bajo costo y la alta disponibilidad de materias primas para su obtención.

El grafeno es una lámina plana de átomos de carbono extendida en dos dimensiones y después del 2011 fue introducida como un candidato promisorio para la captura de CO2, la investigación en esta área se enfoca en la inserción de varios grupos funcionales sobre el grafeno tal como el compuesto de grafeno dopado con N con un área superficial de 1336 m2/g mostrando capacidad reversible de 2.7 mmol/g a 298 K y 1 atm así como estabilidad mejorada para repetidos ciclos de adsorción. También, algunos nuevos materiales híbridos tipo óxido de grafeno (GO)-ZnO, TiO2/GO, entre otros, han mostrado mejoras sustanciales en las propiedades de adsorción.

Los MOF son una clase de materiales más recientes y representan uno de los adsorbentes más promisorios para la separación de CO2. Estos son compuestos de iones metálicos o clústers (nodos) puenteados por ligandos orgánicos (conectores) para formar varias estructuras y redes bien reconocidas por su extraordinaria área superficial, ultra-alta porosidad y más importante la flexibilidad para ajustar la estructura porosa y la funcionalidad debido a la presencia de los ligandos orgánicos que son fácilmente modificados químicamente. Una de las principales ventajas de MOF en comparación con otros materiales sólidos es la posibilidad de adaptar el tamaño de poro y funcionalidad por la selección del ligando orgánico, grupo funcional, ion metálico y método de activación. La adsorción del CO2 es función proporcional de la presión en la fase gaseosa, donde la baja presión corresponde a las aplicaciones de post-combustión. De otro lado diversas estrategias han sido adoptadas para mejorar el desempeño del MOF en captura de CO2, lo que incluye sitios metálicos abiertos, modificaciones pre-sintéticas de los ligandos orgánicos y esquemas de funcionalización post-sintéticas.

Un material sorbente de CO2 ideal debe contar con características favorales en los siguientes seis aspectos:

Capacidad: El material sorbente debe unir favorablemente al CO2, con a una capacidad suficientemente alta, por ejemplo 2 mmol o más de CO2 neto por gramo de sorbente.

Regenerabilidad: En material sorbente debe poder regenerarse en múltiples ciclos (capturar y posteriormemente liberar el CO2). Una métrica clave en captura de CO2 es el calor isostérico de adsorción (Qst, calor liberado cuando las moléculas de CO2 se unen químicamente al material sorbente). El Qst óptimo está entre 35 y 50 kJ/mol de CO2, por encima de los cuales la reciclabilidad es intensiva en energía, lo que lleva a una alta energía parasitaria (calor adicional necesita en un ciclo de captura/liberación de CO2). Por debajo de 35 kJ/mol (unión débil), por lo general da como resultado una capacidad baja de captura. El Qst para la monoetanolamina (que es la tecnología industrial de referencia) está por encima de 75 kJ/mol, explicando por qué se está en necesidad de contar con sorbentes alternativos.

Selectividad: Con el objetivo de obtener corrientes de salida casi puras de CO2 en las operaciones de captura, se requiere alta especificidad del material sorbente hacia el CO2 con respecto a los otros gases presentes tales como el nitrógeno, gases contáminates como H2S y compuestos orgánicos volátiles.

Estabilidad: Cualquier sorbente debe poseer estabilidad frente agua en un rango amplio de temperaturas (agua líquida y vapor), dado que esta está siempre presente en las corrientes de gases de combustión. La estabilidad a alta temperatura es necesaria especialmente en sorbentes funcionalizados con aminas. La formación de carbamato y bicarbonato favorecida por el agua, desactiva los capacidad de sorción y solo puede ser regenerada por calentamiento a alta temperatura y bajo flujo de gas inerte. La estabilidad mecánica de las partículas del material sorbente (pellets) es también importante.

Costo: Uno de los aspectos mas relevantes en la selección de un material sorbente de CO2 es el costo, ya que afecta directamente la economía de las operaciones de captura. La relación costo beneficio para materiales sorbentes similares conducirá a la decision de escoger el sorbente de bajo costo si el costo por capacidad de CO2 es menor. Dado que las operaciones de captura con aminas cuestan alrededor de USD 50 /kg de CO2 retenido, un material sorbente sólido de USD 10 / kg, podría hacerlas mas asequibles.

Cinética: La velocidad de retención del CO2 tambien limita el uso potencial de un material sorbente. Tiempos de contacto mayores a 5 minuntos puede hacer inviable el proceso. La cinetica de retención no es favorable en sólidos ultramicroporosos, ya que en los poros uniformes y pequeños la difusión del CO2 se vuelve lenta. Un sorbente ideal debe contar con canales de varios tamaños para crear rutas de difusión adecuadas. En síntesis, con el fin de desarrollar un material sorbente eficaz en la captura de CO2, es necesario diseñar la estructura porosa y la funcionalidad química para llevar a cabo el proceso de manera óptima.

Adicionalmente, el material debe permitir el reuso y/o aprovechamiento de la carga de CO2 absorbida, atraves de un proceso simple (pocos pasos) y rápido. En caso que el material sea desarrollado para la captura permanente de CO2, deberá garantizarse la estabilidad de la carga de CO2 absorbida y los métodos y condiciones de almacenamiento deberán ser adecuados.

Por otro lado, en el proceso de producción de combustibles a partir de petróleo se obtienen una serie de subproductos pesados de bajo costo comercial. Uno de estos residuos, el coque de petróleo (petcoke, en inglés), se produce en altos volúmenes tanto en Colombia (cerca de 900 Kton/año), como en el resto del mundo (alrededor de 170 millones de ton/año) y a menos que se descubran nuevas aplicaciones para este material cerca del 20% de su producción global no será usada. En la actualidad el coque de petróleo principalmente se usa como combustible, particularmente en la industria de cementos, en generadoras de energía y en plantas de gasificación para la producción de syngas. El uso del coque de petroleo como combustible ha sido cuestionado por la necesidad de descabornización de los procesos industriales (reducción de emisiones de CO2). Por lo tanto, se requieren desarrollar alternativas de valorización de este material que se alinien con las estrategias diseñadas para enfrentar la crisis de cambio climático actual.

El coque de petróleo es un material sólido, de color negro, rico en carbono (> 80%p), que tiene una esctructura con alto contenido de anillos aromáticos condensados y un bajo contenido de compuestos volátiles. En la siguiente tabla se presentan los resultados de caracterización elemental de una muestra típica de coque de petróleo


El coque de petróleo tiene en principio un enorme potencial para preparar varios materiales basados en carbono, sin embargo al tratarse de un material no poroso y con un alto contenido de impurezas, como compuestos metálicos y azufre, no ha sido posible desarrollar su potencial hasta el momento. El azufre en particular es un contaminante problemático que puede estar presente hasta en un 7% en peso y existe tanto en formas orgánicas (tiofeno por ejemplo) como inorgánicas (sales de sulfuro por ejemplo). El contenido de azufre hace que en la combustión de coque se generen vapores azufrados que generan un alto impacto ambiental, motivo por el cual el uso de coque como combustible está siendo cuestionado y se prevén regulaciones que restrinjan este uso en el corto plazo.

En la literatura se han propuesto diversos usos de coque como materia prima fabricar productos con usos industriales, entre ellos el carbon activado. Si bien es cierto que los carbones activados fabricados a partir de coque del petroleo pueden tener algunas impurezas que limiten su uso, también lo es, que el bajo costo y alto contenido de carbono de esta materia prima, podría hacer viable su uso como materiales sorbentes para captura de CO2.

OBJETIVOS Y META:

Apoyar la maduración acelerada y conjunta de soluciones relacionadas con la obtención de materiales de carbono con alta capacidad de captura de CO2, a partir de una muestra de coque de petróleo seleccionada y suministrada por Ecopetrol S.A.

Se busca que los materiales puedan ser fabricados en cantidades suficientes para validar su desempeño mediante pruebas en laboratorio o en ambiente relevante en un plazo no superior a 6 meses haciendo uso de los recursos dados en el concurso. Con la pruebas de desempeño se deberá obtener información cuantitativa que permita determinar la eficiencia en la captura de CO2. 

La ejecución de la propuesta deberá permitir validar el nivel de ajuste de la solución con respecto a los aspectos técnicos deseables mencionados, así como también obtener información que permita estimar el grado de idoneidad en las características claves de un material sorbente de CO2 (capacidad, selectividad, estabilidad, costo, cinética, reutilizabilidad).

ALCANCE Y COBERTURA:

Con el presente desafío de innovación se busca madurar una iniciativa para ser implementada en un ambiente de laboratorio (TRL4) o relevante (TRL5), preferiblemente. El desarrollo de la solución y su prueba o implementación, debe ser alcanzable según el plan de trabajo propuesto, considerando el tiempo y el monto máximo de recursos asignados para el mismo.

El presente desafío de innovación tiene cobertura nacional y se orienta a empresas, instituciones de educación superior con sus grupos y/o centros de investigación, centros de desarrollo tecnológico, centros de desarrollo productivo, y alianzas interintitucionales.