Productos químicos de dióxido de carbono - con plasma y membranas de perovskita

06.06.2019

© IGVP, Universität Stuttgart

Reactor de prueba para membranas capilares cerámicas en un plasma de microondas.

Los investigadores del Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB y de la Universidad de Stuttgart pretenden utilizar el dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero perjudicial para el clima, como materia prima para la producción de productos químicos. Para ello, están desarrollando un proceso combinado de plasma y membrana que divide el CO2 en oxígeno y monóxido de carbono como material de base química. El proceso es posible gracias a la separación de oxígeno mediante una nueva membrana capilar de perovskita. Esta membrana es estable al CO2 y permeable al oxígeno a 1000°C.

La temperatura global del aire cerca de la superficie ya ha aumentado alrededor de 1°C en comparación con la media del siglo XX, y la tendencia al alza continúa. Las consecuencias: El hielo en los polos se derrite, los glaciares desaparecen, el nivel del mar sube. También en Alemania aumentan las olas de calor y las sequías, así como las fuertes tormentas y las lluvias torrenciales. Uno de los principales gases de efecto invernadero responsable del calentamiento global es el dióxido de carbono (CO2) procedente de la combustión de petróleo, carbón y gas natural.

Los científicos del Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB y del Instituto de Ingeniería de Procesos Interfaciales y Tecnología del Plasma (IGVP) de la Universidad de Stuttgart quieren ahora abordar este problema utilizando el gas que daña el clima como materia prima para la producción de productos químicos y sistemas de almacenamiento de energía química. En el proyecto "PiCK - Plasma-Induced CO2 Conversion for the Storage of Renewable Energies", financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania como parte de los "proyectos Kopernikus para la Energiewende", llevan dos años investigando un nuevo enfoque que utiliza el exceso de electricidad procedente de fuentes regenerativas y combina el plasma con la tecnología de membranas.

La idea: El dióxido de carbono se divide en un plasma, es decir, un gas ionizado con especies altamente reactivas. Esto produce oxígeno y monóxido de carbono (CO). El monóxido de carbono es una materia prima química que puede convertirse en productos químicos básicos y en almacenes de energía química como el metanol o el metano en las infraestructuras existentes mediante procesos químicos convencionales. Para evitar que el monóxido de carbono y el oxígeno vuelvan a reaccionar al dióxido de carbono, una nueva membrana estable al calor y al CO2 separa el oxígeno.

Dividir el CO2 en plasma

Científicos del Instituto de Ingeniería de Procesos Interfaciales y Tecnología del Plasma (IGVP) de la Universidad de Stuttgart han desarrollado un reactor sin electrodos para llevar a cabo la separación de dióxido de carbono. Aquí se genera un plasma de presión atmosférica, excitado por una microonda, por medio de fuertes campos eléctricos. "Si los electrones excitados en este plasma chocan con las moléculas de CO2, el CO2 se descompone en los productos deseados, monóxido de carbono y oxígeno", explica el científico del IGVP Dr. Andreas Schulz, que coordina el proyecto.

Membrana de perovskita para la eliminación de oxígeno

Para evitar que el CO reaccione con el oxígeno producido en el plasma para formar CO2, el oxígeno debe ser eliminado constantemente del equilibrio de reacción. Para ello, Fraunhofer IGB ha desarrollado una nueva membrana cerámica que puede separar selectivamente el oxígeno. "Dado que la membrana debe ser estable a la temperatura y al CO2 al mismo tiempo, convertimos los materiales cerámicos especiales, las llamadas perovskitas, junto con los polímeros, en un capilar de pared delgada", explica el Dr. Thomas Schiestel, experto en membranas y director de proyectos del Fraunhofer IGB. La fibra verde resultante se sinteriza a altas temperaturas para formar una membrana capilar cerámica densa. "Nuestra membrana perovskita es estable en una atmósfera de CO2 y permeable al oxígeno a temperaturas de 800 a 1000°C, pero no al monóxido de carbono y al dióxido de carbono", dice el investigador de Fraunhofer. Tal membrana no ha sido descrita anteriormente.

Exitosa separación de dióxido de carbono y oxígeno en un reactor de membrana de plasma

Los investigadores ya han demostrado que la idea del proceso combinado de plasma-membrana funciona en el reactor de plasma desarrollado en el IGVP. Mediante un aparato especial en el reactor de plasma, la membrana capilar se ajusta en un punto exactamente definido de la llama de plasma. Mediante el control del flujo de gas CO2 y de la potencia de microondas, la temperatura del plasma a nivel de la membrana se ajusta a 800 - 1000°C, para que el oxígeno pueda pasar de forma óptima.

En estas condiciones, la nueva membrana capilar mostró una muy buena estabilidad térmica y una muy buena permeabilidad al oxígeno. A una potencia de microondas de kilovatios que corresponde a una temperatura de alrededor de 1000°C, se separaron 2,3 mililitros de oxígeno por minuto y un centímetro cuadrado de superficie de la membrana. Hasta ahora, alrededor de un tercio de la energía de las microondas se ha convertido en energía química y el 22 por ciento del dióxido de carbono se ha dividido.

Control de potencia flexible y fácil escalabilidad

Tanto el proceso como el reactor de membrana de plasma pueden escalarse fácilmente y controlarse de forma flexible, lo que supone una gran ventaja para la implementación técnica. "El funcionamiento de la planta puede adaptarse a los recursos energéticos regenerativos disponibles y reaccionar rápidamente al suministro de energía actual", dice Schulz. El siguiente paso para demostrar la viabilidad técnica es aumentar la eficiencia de separación del reactor de membrana de plasma. "Para esta ampliación, aumentamos el número de membranas capilares incorporadas en el plasma", dice Schiestel. En combinación con una mejor gestión del gas, también debería ser posible aumentar aún más la eficiencia energética del proceso.

El proceso puede utilizarse en cualquier lugar donde se produzca CO2 en forma enriquecida: en procesos de combustión en centrales eléctricas, en las industrias del cemento y del vidrio, y en cervecerías donde el CO2 es un subproducto de la fermentación alcohólica. El uso de CO2 como materia prima puede ayudar a conservar los recursos naturales y proteger el clima. Los investigadores ya están buscando empresas interesadas para el desarrollo posterior en una segunda fase de financiación y la posterior implementación técnica.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB)

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