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Sistema de inyección de CO2 para estudios ecotoxicológicos
ES2438090A1
Spain
- Other languages
English - Inventor
Mª Dolores BASALLOTE SÁNCHEZ Manoela ROMANO DE ORTE Inmaculada RIBA LÓPEZ Araceli RODRÍGUEZ ROMERO Julian BLASCO MORENO Tomás Ángel DEL VALLS CASILLAS - Current Assignee
- Universidad de Cadiz
Worldwide applications
2012
ES
Application ES201200753A events
2012-07-13
2012-07-13
2014-01-15
2015-07-21
Application granted
2015-07-21
Status
Active
2032-07-13
Anticipated expiration
Description
translated from
SISTEMA DE INYECCiÓN DE CO2 PARA ESTUDIOS ECOTOXICOLÓGICOS
Realización de ensayos de toxicidad relacionados con escapes de CO2 en el medio marino.
Actualmente, como medida de mitigación del cambio climático, se están proponiendo y desarrollando numerosos proyectos a nivel internacional para la captación del dióxido de carbono emitido por la industria y su posterior almacenamiento en estructuras geológicas estables (CAC).
Dentro de los sectores que necesitan abordar urgentemente el problema de las emisiones de CO2 encontramos el sector eléctrico, donde se emplean combustibles fósiles como el carbón, gas natural y petróleo. Otros sectores como el del cemento, refino, siderúrgico o químico también destacan por ser los que más contribuyen a las emisiones de gases invernadero según el "Estudio del impacto de la propuesta de modificación de la directiva de comercio de emisiones" (Garrigues Madio Ambiente, 2008).
Muchos países se han interesado en las tecnologías de Captación y Almacenamiento de Carbono. Varios proyectos de almacenamiento de CO2 en estructuras geológicas estables ya están en funcionamiento y otros muchos han sido propuestos. Entre los proyectos de almacenamiento de CO2 en funcionamiento encontramos el Proyecto Sleipner West y Snl2lhvit (Noruega), Weyburn CO2 Flood Project (Canada), In Salah (Algeria), K12B (Holanda) y La Barge (Wyoming). Por otro lado, existen numerosos proyectos pilotos y/o propuestos para los próximos años alrededor de todo el mundo, entre los que encontramos: Kaarsto y Mongstad (Noruega), Lacq (Francia), Ketzin, Schwarze Pumpe y Vattenfall (Alemania), Gorgon (Australia), Ferrybridge, Teesside, Onllwyn, Killingholme, Hatfield (Reino Unido), Hydrogen Energy California Project (California), Aalborg (Dinamarca), Abu Dhabi (Emiratos Árabes), Rotterdam (Holanda), GreenGen (China).
A nivel nacional están previstos 2 proyectos para los próximos 5 años; el de Compostilla Endesa, que prevé una captura y almacenamiento de 2.75 millones de toneladas de CO2 al año, para el año 2015, y el de Unión Fenosa, para el año 2016, que tiene previsto almacenar 1 millón de toneladas de CO2 al año.
De los más de 40 proyectos propuestos para los próximos años, más de la mitad se realizarán en zonas costeras y/o marinas, en estructuras geológicas estables del subsuelo marino (ver mapa interactivo www.worldcoal.org)
Según establece el Grupo Intergubernamental de expertos sobre el Cambio Climático (IPCC (2007): Cambio climático 2007: Informe de síntesis. Contribución de los Grupos de trabajo 1, " Y 111 al Cuarto Informe de evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático [Equipo de redacción principal: Pachauri, R.K. y Reisinger, A. (directores de la publicación)]. IPCC, Ginebra, Suiza, 104 págs.), las emisiones mundiales de gases invernadero emitidos por actividades antropogénicas han aumentado en un 70% entre 1970 y 2004. En cuanto a las emisiones de CO2, considerado el gas invernadero más importante, aumentaron en torno a un 80% en este mismo período, desde el valor pre-industrial de 280 a 379 ppm. Esto indica que la tasa anual de aumento de CO2 en la atmósfera de los últimos 10 años ha sido de
1.9 ppm/año, valor considerablemente mayor a la media registrada al inicio de esta medida (1.4 ppm/año). Además, este incremento ha sido el más rápido producido en los últimos 650.000 años (Hauton C, Tyrrell T, Wil/iams J (2009) The subtle effects of sea water acidification on the amphipod Gammarus locusta. biogeosciences 6 (8):1479-1489).
Diversos encuentros y/o convenciones internacionales han tenido lugar con el fin de asimilar y acatar medidas destinadas a disminuir el problema del calentamiento global. La United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC, 1992) propone la estabilización de las concentraciones de los gases invernadero en la atmósfera a niveles que eviten interferencias antropogénicas en el sistema climático mundial. Para conseguir estos niveles sería necesario reducir las emisiones aproximadamente 1 GtC (gigatonelada de carbono) al año para el 2025 (el 15% de las emisiones actuales) y 4 GtC para el 2050 (el 60% de las emisiones) (Ametistova L, Twidell J, Briden J (2002) The sequestration switch: removing industrial C02 by direct ocean absorption. The Science ofthe total environment 289 (1-3):213-223).
A pesar de la contribución que establece el IPCC, de hasta un 55% del esfuerzo de mitigación esperado para el año 2100, el riesgo asociado a este tipo de tecnologías reside en la posibilidad de que se produzcan fugas o escapes de CO2 durante el proceso de inyección o desde su lugar de almacenamiento una vez el CO2 este almacenado.
Liberaciones sustanciales de CO2 en el lecho marino podría causar daños al entorno marítimo. El principal impacto que se espera tras un proceso de fuga o escape de CO2 es la acidificación del medio. La reducción del pH asociado al aumento de la concentración de CO2 puede dar lugar a cambios fisicoquímicos en la naturaleza de los sedimentos marinos, en la columna de agua y en la interfase agua-sedimento, afectando negativamente a los organismos y ecosistemas marinos. El grado del impacto de las fugas de CO2 dependerá de la naturaleza espacial y temporal de la liberación así como la hidrodinámica circundante. Por tanto, efectos a corto y largo plazo, tanto a nivel de poblaciones como a nivel de especies específicas, deben ser considerados (PNUMA (2006), Gula simplificada del "Informe especial sobre captura y almacenamiento de Dióxido de Carbono del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el
Cambio Climático. División de Convenios Ambientales del Programa de las Naciones Unidas
para el medio ambiente).
La necesidad de reducir los impactos medioambientales debidos al incremento del CO2 atmosférico ha conllevado la toma de numerosas medidas globales para la reducción de las emisiones. Dentro de estas opciones de mitigación encontramos, el uso de tecnologías de inyección de dióxido de carbono y posterior almacenamiento en estructuras geológicas estables (medida de mitigación contemplada en el Protocolo de Londres (1996)). El informe especial sobre la Captación y Almacenamiento de Dióxido de Carbono (CAC) (2005), define esta técnica como "un proceso consistente en la separación del CO2 emitido por la industria y fuentes relacionadas con la energía, su transporte a un lugar de almacenamiento y su aislamiento de la atmósfera a largo plazo". Numerosos estudios efectuados exponen que el desarrollo de esta técnica podría llegar a que en el año 2030 se redujesen emisiones que representan aproximadamente el 15% de las reducciones exigidas en el ámbito de la Unión Europea.
"The guide of best practices for ocean acidification research and data reporting" (Riebesell U, Fabry VJ, Hansson L, Gaftuso JP (2010) Guide to best practices for ocean acidification research and data reporting. Publications Office of the European Union) establece diferentes tipos de tratamientos para el estudio de los efectos de la acidificación de los océanos. Estos tratamientos de acidificación se pueden realizar mediante adición de ácidos y bases fuertes, adición de carbonatos y/o bicarbonatos al medio o mezcla de agua enriquecida con CO2• No obstante, esta guía considera los sistemas que inyectan CO2 gaseoso puro para manipular el sistema carbonato en agua de mar, como el método más eficiente para simular en laboratorio procesos de acidificación de los océanos debido al incremento de CO2.
La mayor parte de las técnicas utilizadas actualmente en estudios de acidificación, se basan en la acidificación del agua de mar, simulando la acidificación oceánica prevista para las próximas décadas a causa del aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera (intercambio CO2 océano-atmósfera), mediante la realización de experimentos en laboratorio (Berge JA, Bjerkeng B, Pettersen O, Schaanning MT, Oxnevad S (2006) Effects of increased sea water concentrations of C02 on growth of the bivalve Mytilus edulis. Chemosphere 62 (4):681-687; Gazeau F, Quiblier C, Jansen JM, Gaftuso JP, Middelburg JJ, Heip CHR (2007) Impact of elevated C02 on shellfish calcification. Geophysical Research Lefters 34; Palacios SL, Zimmerman RC (2007) Response of eelgrass Zostera marina to C02 enrichment: possible impacts of climate change and potential for remediation of coastal habitats. Marine EcologyProgress Series-344:1; Suwa R, Nakamura M, Morita M, Shimada K, Iguchi A, Sakai K, Suzuki
- S
- A (2010) Effects of acidified seawater on early life stages of scleractinian cora/s (Genus Acropora). Fisheries Science 76 (1):93-99; Dashfield SL, Somerfield PJ, Widdicombe S, Austen MC, Nimmo M (2008) Impacts of ocean acidification and burrowing urchins on within-sediment pH profiles and subtidal nematode communities. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 365 (1):46-52; Widdicombe S, Needham HR (2007) Impact of C02-induced seawater acidification on the burrowing activity of Nereis virens and sediment nutrient flux. Marine Ecology Progre ss Series 34: 111-122).
- Sin embargo, efectos directos e indirectos causados por fugas de CO2 a través de sedimentos marinos debidas a liberaciones desde estructuras de almacenamiento del fondo marino han
- 10
- sido poco desarrollados (Ardelan MV, Steinnes E, Lierhagen S, Linde SO (2009) Effects of experimental C02 leakage on solubility and transport of seven trace meta/s in seawater and sediment. Science of The Total Environment 407 (24):6255-6266).
- Los
- test de toxicidad en condiciones de laboratorio son una herramienta esencial en la
- lS 20
- determinación del estado de los ecosistemas marinos. Son técnicas relativamente fáciles para la adquisición de información sobre la calidad de un ecosistema. Este tipo de ensayos están dirigidos a la obtención y medida de respuestas biológicas en cortos períodos de tiempo. Es recomendable la elección de una batería de ensayos que incluyan especies con distintos estilo de vidas y estados de desarrollo, y que contemplen las diferentes rutas de exposición y tratamientos de pH a las que pueden verse sometidos dichos organismos con el fin de obtener una visión general y más realista de cómo se verá afectado el ecosistema.
- 2S
- La realización de test de toxicidad en laboratorio, simulando posibles escenarios de liberaciones de CO2 supone una buena manera de determinar los riesgos potenciales asociados a este tipo de fugas. Igualmente, este tipo de ensayos nos permite realizar estudios tanto sobre efectos directos (mortalidad) como indirectos, como puede ser el aumento de la movilidad y/o biodisponibilidad de metales presentes en el medio a causa de la acidificación del medio.
- DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN
- 30 3S
- El sistema de inyección de CO2 propuesto tiene como finalidad simular en laboratorio procesos de acidificación del medio marino provocados por fugas de dióxido de carbono en sistemas de captación y almacenamiento de dióxido de carbono (CAC). Así mismo, el diseño de este equipo permite desarrollar ensayos de toxicidad bajo condiciones controladas de laboratorio, en los que organismos marinos puedan ser expuestos a distintos niveles de pH a través de diversas rutas de exposición con el fin de observar efectos adversos que pudieran producirse como consecuencia de la acidificación del medio provocada por incremento de la concentración de CO2 debido a fugas o escapes en los lugares de almacenamiento.
Con este sistema se pretende alcanzar un gran avance en el mundo de la ciencia, concretamente en el área de la ecotoxicología ya que la minimización de los impactos asociados al cambio climático es unos de los temas que más preocupan a la opinión internacional en los últimos años.
La invención comprende una serie de acuarios donde es posible inyectar dióxido de carbono, a presión atmosférica, en condiciones controladas, de manera independiente en cada uno de ellos. La cantidad de gas liberado se controla a través de medidas de pH del agua del mar en el acuario, teniendo en cuenta que la disminución del pH es proporcional al aumento de la concentración del CO2• De esta manera, cada acuario contiene un electrodo de pH que registra de manera continua el valor de pH del agua. Los electrodos están conectados a un ordenador mediante una interface. A su vez, cada acuario dispone de una válvula solenoide, igualmente conectadas al ordenador y a una central automática de suministro de CO2, la cual permitirá o detendrá la inyección de CO2 en cada acuario.
Los valores de pH en cada acuario son monitorizados a través de un sistema que permite el seguimiento y el control electrónico del pH en los acuarios. Con este sistema, es posible seleccionar el pH de experimentación en el acuario y controlar la inyección de CO2 a través de la válvula solenoide. Todas las funciones son realizadas desde un PC, mediante el software de control. La selección del pH es realizada a través del programa. La apertura de la válvula solenoide provoca la inyección el CO2 en los acuarios a través de una manguera situada en el fondo de los acuarios y provista de perforaciones. La manguera puede ser de cualquier material inerte en las condiciones del acuario, por ejemplo de silicona y su geometría debe permitir una óptima difusión del CO2 inyectado, por ejemplo en forma de espiral. El margen de tolerancia del pH es ± 0,01; un incremento de pH superior a este umbral es compensado mediante inyección de CO2•
La mayor parte de las técnicas utilizadas actualmente en estudios de acidificación del océano, bajan el pH del agua de mar directamente, simulando la acidificación oceánica debida a un aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera y no la causada por las fugas de CO2 a través del sedimento. Con sencillas adaptaciones en el equipo diseñado, es posible desarrollar experimentos en distintas rutas de exposición como pueden ser; agua de mar, interface sedimento marino-agua o lixiviados de sedimento. Asimismo, el equipo que se presenta contempla la posibilidad de realizar tests de toxicidad con distintos organismos como: poliquetos, larvas de peces, almejas, microalgas, anfípodos, cangrejos, etc. El tamaño del equipo permite una fácil manipulación de los organismos durante los test de toxicidad.
El equipo de CO2 diseñado puede aportar nueva y valiosa información acerca del riesgo ambiental relacionado a la actividad de inyección de CO2, que debe ser de gran utilidad para la toma de decisiones desde los órganos internacionales que desean implementar esta actividad en gran escala.
El equipo permite desarrollar experimentos tanto para estudiar los impactos asociados a la acidificación oceánica (usando agua de mar) como para mimetizar los procesos relacionados con las posibles fugas de CO2 en sistemas geológicos marinos estables (interfase aguasedimento y/o lixiviados de sedimentos), con una sencilla adaptación del mismo.
La figura 1 muestra el esquema general del sistema de inyección de CO2• En este esquema se distinguen los siguientes componentes:
- 10 1 . Ordenador
- 2.
- Controlador electrónico de pH.
- 3.
- Regleta alargadera de enchufes y conexiones USB.
- 4.
- Electrodos de pH.
- 5.
- Válvula solenoide.
- 15 6. Acuario.
- 7.
- Central semiautomática de suministro de C02.
- 8.
- Botella de C02.
- 9.
- Manguera conectada a la válvula solenoide.
El sistema propuesto comprende los siguientes componentes.
1. Ordenador:
Ordenador portátil desde el que se controlan todas las funciones del sistema para la medida y control electrónico de pH, mediante el software y la conexión de una Interface PC a un puerto USB.
2. Controlador electrónico de pH:
El sistema para realización de mediciones y control electrónico de parámetros (pH) en acuarios, está provisto de una interfase para conexión a PC para la programación y monitorización de datos.
3. Regleta alargadera de enchufes y conexiones USB:
La regleta alargadera que contiene varios enchufes y varias conexiones USB. Todos los electrodos de pH se conectan a la regleta por puertos USB. Para un solo Sistema de medida y control electrónico de pH se pueden conectar varias regletas. Esto permite que varios acuarios con electrodos de pH se puedan conectar a una sola unidad de control.
4. Electrodo de pH:
Sensor para la determinación del pH en cada acuario. Cada electrodo de pH va conectado por su correspondiente regleta. Y su función es la de monitorización continua del valor de pH en cada acuario.
5. Válvula solenoide:
La válvula solenoide es una válvula de interrupción electrónica de CO2. Conectada a un controlador de pH, sirve para regular la inyección de CO2 en el acuario. Esta válvula tiene un funcionamiento de presión máximo de 6 bar, para conexión de tubo flexible de 6 mm y un consumo de 3.5 W de potencia eléctrica.
6. Acuario:
Su volumen y cantidad será variable en función de los ensayos a realizar.
7. Central semiautomática de suministro de CO2 :
Esta central está diseñada para dar servicio con suministro de CO2. Puede constar de alimentación para varios grupos de botellas, lo que permite el paso automático de un grupo agotado hacia otro en reserva para evitar interrupciones de alimentación durante el tiempo requerido. La central se compone de panel ALPHAGAZ CLSA-1 250-70-10 formado por filtro de partículas entre la fuente de presión y el panel, manómetro de medición de la presión de entrada de la botella conectada en latón niquelado, válvula anti-retorno, tapón de rosca, válvula de purga fabricada en latón niquelado. Válvula de corte, manómetro de medición de la presión de salida del panel. Además, la central se encuentra conectada a un cuadro de alarma luminosa para el aviso del consumo de gases.
8. Botella de CO2 :
Botella de CO2 industrial.
9. Manguera agujereada:
El flujo de CO2 se realiza a través de una manguera agujereada colocada a modo de espiral en la parte inferior de cada acuario. Esta manguera se encuentra conectada a una válvula solenoide, cuya finalidad es la de abrir o cerrar el flujo de entrada del gas en el acuario.
El equipo de inyección de CO2 diseñado nos permite trabajar con un amplio rango de pH, incluyendo valores que representan tanto la acidificación del océano debido al intercambio del CO2 desde la atmosfera (pH 7.2-7.5) como la debida a los posibles escape de CO2 de las estructuras marinas de almacenaje (considerando el pH 5.5 como el peor de los escenarios posibles).
El dispositivo ideado tiene la capacidad de ajustarse mediante simples modificaciones a los requerimientos de los diferentes ensayos de toxicidad que se quieran llevar a cabo.
Ejemplo de aplicación
El bivalvo Ruditapes philippinarum es una especie comúnmente empleada en los ensayos de toxicidad para la evaluación de la calidad de ecosistemas marinos y será utilizada como ejemplo para la explicación del funcionamiento del equipo de inyección de CO2 utilizando rangos de pH que representan el escape de este gas desde estructuras geológicas marinas.
El experimento consta de acuarios de 25 L de volumen aproximadamente (35 x 27 x 29 cm). El flujo de CO2 se realiza a través de una manguera agujereada colocada a modo de espiral en la parte inferior de cada acuario. Esta manguera se encuentra conectada a una válvula solenoide, cuya finalidad es la de abrir o cerrar el flujo de entrada del gas en el acuario. Las válvulas solenoides se encuentran, a su vez, conectados a la central automática de suministro de CO2.
Se coloca una capa de sedimento en el acuario de aproximadamente entre 5-10 cm de grosor (relación 1:3 v:v) en la parte inferior del mismo, sobre la manguera agujereada y se rellena el resto de volumen con agua de mar. Cada acuario consta de un sensor de pH conectado al controlador electrónico de pH, de manera que el valor de pH dentro del acuario queda registrado continuamente. Los diferentes valores de pH a que se van a exponer los organismos
(8.0 (control, no hay inyección de CO2); 7.5; 7.0; 6.5; 6.0; 5.5) son introducidos en el programa informático para el uso del A T control a través del ordenador. El sensor de pH registra el valor de pH en el acuario, si detecta que el valor es mayor al introducido en el programa, la válvula solenoide se abre, permitiendo la inyección del gas dentro del acuario. El aumento de la concentración de CO2 en el acuario reducirá de manera paulatina el valor del pH. Esta inyección se detendrá cuando el sensor de pH registre un valor de pH igual o menor al requerido.
Las almejas (20-30 individuos por tratamiento) son introducidas en los acuarios y son expuestas a los valores de pH previamente seleccionados durante un período mínimo de tiempo de 10 días. La temperatura del agua, la concentración de oxigeno disuelto y la salinidad son verificados durante todo el ensayo. Los valores de pH son automáticamente controlados y pueden ser modificados a lo largo del tiempo. Cada 24 horas los acuarios son examinados para comprobar si hay ejemplares muertos. Cuando el ensayo ha finalizado, se contabiliza los especímenes supervivientes en los distintos pHs y se compara con la supervivencia de las almejas en el acuario control, (sin inyección del CO2).
Muestras de agua, sedimento y organismos pueden ser tomadas durante el ensayo para el estudio de los procesos físico-químicos y el análisis de distintas respuesta biológicas que pueden tener lugar durante la acidificación.
Los resultados obtenidos, una vez tratados, pueden proporcionar información útil sobre los efectos potenciales producidos por un escape de CO2 en el medio marino, tanto desde un punto de vista físico-químico, como biológico.
Claims (6)
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- REIVINDICACIONES1.-Sistema de inyección de CO2 para estudios ecotoxicológicos, que comprende:
- •
- Un ordenador desde el que se controlan todas las funciones del sistema mediante software y la conexión de una Interface PC a un puerto USB.
- •
- Controlador electrónico de pH, que realiza mediciones y controla electrónicamente el pH en acuarios, y que está provisto de una interfase para conexión a PC, para la programación y monitorización de datos.
- •
- Una o varias regletas alargadera de enchufes y conexiones USB a las que se conectan los electrodos de pH.
- •
- Electrodos de pH, cada uno de los cuales va conectado por su correspondiente regleta y su función es la de monitorización continúa del valor de pH en cada acuario.
- •
- Válvulas solenoides de interrupción electrónica de CO2, que, conectadas al controlador de pH, regulan la inyección de CO2 en el acuario.
- •
- Uno o más acuarios de volumen variable en función de los ensayos a realizar.
- •
- Central semiautomática de suministro de CO2 que puede constar de alimentación para varios grupos de botellas, lo que permite el paso automático de un grupo agotado hacia otro en reserva para evitar interrupciones de alimentación.
- •
- Botellas de CO2 industrial. caracterizado porque incluye mangueras agujereadas, colocadas en la parte inferior de cada acuario y conectadas a cada válvula solenoide, a través de las cuales se realiza la inyección de CO2 gaseoso.
- 2.-Sistema de inyección de CO2 según la reivindicación 1, caracterizado porque las mangueras a través de las cuales se realiza la inyección de CO2 gaseoso es de silicona y presenta una geometría en forma de espiral.
- 3.-Sistema de inyección de CO2 según la reivindicación 1, caracterizado porque cada válvula solenoide está a su vez conectada a la central semiautomática de suministro de C02, la cual es operada a través de un controlador de pH provisto de una interfase para conexión a ordenador para la programación y monitorización de datos.
- 4.-Uso del sistema de inyección de CO2 según las reivindicaciones 1 a 3 para el control de la cantidad de CO2 liberado, a presión atmosférica, a través de las medidas de pH del agua de los acuarios.
- 5.-Uso del sistema de inyección de CO2 según las reivindicaciones 1 a 3 para simular procesos de acidificación del medio marino provocados por fugas de dióxido de carbono en sistemas de captación y almacenamiento de dióxido de carbono.5 6.-Uso del sistema de inyección de CO2 según las reivindicaciones 1 a 3 para desarrollar ensayos de toxicidad sobre organismos marinos bajo condiciones controladas de laboratorio.
- 7.-Uso del sistema de inyección de CO2 según las reivindicaciones 1 a 3 para la evaluación10 de efectos causados por fugas de CO2 almacenados en formaciones geológicas marinas estables en los ecosistemas marinos.