ES2691198T3 - Captura de carbono - Google Patents

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Lidija Siller
Gaurav Ashok BHADURI
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Abstract

Un uso de nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel como un catalizador para la hidratación del dióxido de carbono.

Description

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DESCRIPCION
Captura de carbono
Esta invención se relaciona con métodos y aparatos para la captura o fijación de dióxido de carbono y con métodos para aumentar la rata de hidratación del dióxido de carbón. Los métodos usan un metal sólido para catalizar la hidratación del dióxido de carbono.
Antecedentes
El dióxido de carbono (CO2) se libera a la atmósfera mediante la quema de madera, carbón, petróleo y gas. También puede ser liberado por volcanes y ganado. El nivel de dióxido de carbono preindustrial fue de aproximadamente 278 ppm y se mantuvo bastante constante durante varios siglos. En el siglo 20, los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera aumentaron desde aproximadamente 315 ppm en 1958 a 378 ppm a fines de 2004. Así, desde el comienzo de la revolución industrial, la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera ha aumentado en aproximadamente 36%. El dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero, que contribuye al aumento de la temperatura de la tierra. El dióxido de carbono de la atmósfera también es absorbido por los océanos, donde forma ácido carbónico y aumenta la acidez del agua, afectando a las poblaciones de muchas formas de vida y amenazando a delicados ecosistemas como los arrecifes de coral.
Un método para reducir la cantidad de dióxido de carbón en la atmósfera es capturarlo y almacenarlo a medida que se produce, en lugar de liberarlo a la atmósfera.
De los diversos enfoques para la captura y almacenamiento de dióxido de carbono, el que ha ganado el interés de gobiernos e industrias es el almacenamiento de dióxido de carbón en formas geológicas. El almacenamiento geológico de dióxido de carbono se puede lograr de dos maneras: a) separa el dióxido de carbono y se bombea hacia pozos de petróleo vacíos o agotados (se pueden usar pozos de petróleo tanto terrestres como oceánicos); o b) convertirlo en carbonato de calcio y disponer de él como vertedero. Una limitación del método a) es que debe haber un control continuo del pozo de petróleo para detectar posibles fugas (especialmente para el almacenamiento oceánico). Se considera que la conversión a carbonato de calcio para su uso en vertederos proporciona una solución más confiable para el problema del almacenamiento de dióxido de carbono.
El carbonato de calcio es un material termodinámicamente estable y se encuentra abundantemente en la superficie de la tierra. El carbonato de calcio presente en la tierra se estima que es un depósito de carbono equivalente a 150,000 x 1012 toneladas métricas de dióxido de carbono. Los carbonatos han demostrado ser seguros para el almacenamiento a largo plazo de dióxido de carbono. Una alternativa al carbonato de calcio es el carbonato de magnesio, que tiene propiedades similares. También se puede utilizar una combinación de carbonato de calcio y magnesio. La conversión de dióxido de carbono en carbonato de calcio (u otros carbonatos) se conoce como mineralización. El paso limitante de la rata en la mineralización del dióxido de carbono es la hidratación del dióxido de carbono para formar iones de carbonato.
En la actualidad, las anhidrasas carbónicas (AC) se consideran el candidato más prometedor para secuestrar dióxido de carbón. Las CA catalizan la hidratación reversible del dióxido de carbono a valores de pH moderados, observándose las ratas más rápidas para la CA II humana. El coste de extracción de enzimas limita su utilidad en el contexto industrial. También operan solo en un intervalo de pH estrecho y, por lo tanto, requieren la presencia de un amortiguador. Además, las enzimas pueden ser inestables a temperaturas elevadas. Hay algunos ejemplos en la literatura de la anhidrasa carbónica inmovilizada en nanopartículas que se utilizan para la hidratación y captura del dióxido de carbono (Vinoba et al., Langmuir, 2011, 27, 6227-6234; Vinoba et al., Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 75, 2012, 60-67). Las nanopartículas se impregnaron sobre soporte de sílice/alúmina.
Recientemente se han publicado algunos informes sobre los complejos organometálicos que se usan para la hidratación reversible del dióxido de carbono. Holm et al (Inorg. Chem. 2011, 50, 100070-81; Proc. Nat. Acad. Sci., 2011, 108, 1222-7) han demostrado que los complejos de hidróxido de níquel con ligandos de pinza de 2,6- piridindicarboxamidato fijan dióxido de carbono muy rápidamente, pero estos procesos no son catalíticos. Los compuestos organometálicos pueden ser inestables bajo condiciones extremas.
Por consiguiente, sigue existiendo la necesidad de un método mejorado para la captura de dióxido de carbono.
Breve resumen de la divulgación
En un primer aspecto de la invención, se proporciona el uso de nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel como un catalizador para la hidratación del dióxido de carbono.
En un segundo aspecto de la invención se proporciona un método para aumentar la rata de hidratación del dióxido de carbón; donde el método comprende: hacer reaccionar dióxido de carbono con agua en la presencia de nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel.
En un tercer aspecto de la invención se proporciona un aparato para la captura de carbono; donde el aparato comprende:
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un tanque de hidratación que contiene un líquido que comprende agua y nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel en contacto con el líquido;
un medio para burbujear CO2 a través del líquido.
Las siguientes realizaciones pueden aplicarse, cuando sea apropiado, a cualquier aspecto de la invención.
El níquel puede estar en la forma de nanopartículas.
En una realización particularmente preferida, el metal sólido es nanopartículas de Ni.
En una realización, las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel se inmovilizan sobre un soporte sólido. En una realización, el soporte es un soporte de óxido, por ejemplo un soporte de silicato o un soporte de alúmina.
En una realización, las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel se irradian. Por lo tanto, se puede irradiar con radiación electromagnética en una región seleccionada de UV, IR o regiones visibles del espectro electromagnético, y combinaciones de los mismos. En una realización, las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel se irradian con luz visible. La luz visible puede ser la luz del sol.
Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones de la invención se describen adicionalmente a continuación con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 muestra imágenes de microscopía electrónica de transmisión de nanopartículas de Ni.
La Figura 2 muestra los resultados Espectroscópicos de Rayos X de Energía Dispersiva de las nanopartículas de Ni.
La Figura 3 muestra el resultado de Difracción de Electrón de Área Seleccionada de nanopartículas de Ni.
La Figura 4 muestra el aumento en la cantidad de dióxido de carbono absorbida en solución acuosa de nanopartículas de Ni como una función de la concentración de partículas.
La Figura 5 muestra el cambio de pH y el cambio de conductividad cuando se burbujea dióxido de carbono en agua Dl y suspensión acuosa de nanopartículas de Ni a) a partir de un pH superior a 6; b) comenzando a un valor de pH por debajo de 6.
La Figura 6 muestra el cambio de pH a medida que el CO2 y el argón se burbujean secuencialmente a través de una suspensión de nanopartículas de níquel.
La figura 7 muestra un diagrama esquemático de un aparato adecuado para practicar los métodos de la invención.
La Figura 8 muestra el perfil de pH del agua desionizada y una suspensión de nanopartículas de níquel a diferentes temperaturas a medida que se burbujea CO2 a través de la solución: a) 10 °C, b) 20 °C, c) 30 °C, d) 40 °C, e ) 50 °C y f) 60 °C.
La Figura 9 muestra la concentración de equilibrio de CO2 en las suspensiones de nanopartículas de níquel a diferentes temperaturas.
La Figura 10 muestra el% de aumento de CO2 para las suspensiones de nanopartículas de níquel en cada una de las temperaturas de la figura 9.
La Figura 11 muestra el perfil de cambio de pH para una solución de monoetanolamina (MEA) con y sin nanopartículas de níquel a medida que se burbujea CO2 a través de las soluciones a 20°C.
Descripción detallada
Cuando se burbujea a través de agua, el dióxido de carbono se hidrata para formar ácido carbónico, iones de carbonato y/o iones de bicarbonato, dependiendo de las condiciones empleadas. A menos que un amortiguador o una base esté presente en la solución, se genera una solución de ácido carbónico. Los inventores han identificado sorprendentemente que las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel pueden usarse como catalizadores para aumentar la rata a la que el dióxido de carbono se convierte en ácido carbónico, iones de carbonato y/o iones de bicarbonato. En otras palabras, los inventores han identificado sorprendentemente que las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel pueden catalizar la hidratación del dióxido de carbono. Las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel también pueden aumentar la cantidad de dióxido de carbono que puede ser fijada por la solución.
Ventajosamente, el uso de nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel, en lugar de un ion metálico encapsulado en una enzima o complejado con ligandos orgánicos, permite que el proceso de captura de carbono se lleve a cabo en un intervalo más amplio de condiciones, por ejemplo altas temperaturas, altas presiones, bajas presiones, pH alto, pH bajo. A temperaturas más altas, las enzimas y los complejos organometálicos son propensos a la descomposición y esto puede limitar su utilidad, especialmente al capturar CO2 de un proceso de combustión que necesariamente
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también produce calor. Las enzimas y muchos complejos organometálicos solo son estables en intervalos de pH relativamente estrechos.
Un beneficio adicional del uso de nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel es que las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel pueden recuperarse más fácilmente (por ejemplo, por filtración, sedimentación, centrifugación) desde la mezcla de reacción de hidratación que las especies que son solubles en agua. Una vez recuperados de la reacción, las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel se pueden reutilizar.
Las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel se pueden usar como un catalizador para la hidratación del dióxido de carbono a una escala industrial.
Puede ser que la mayor parte del níquel esté presente como Ni(0). Es posible que el metal también esté presente en otros estados de oxidación. Es posible que la forma activa (es decir, la forma catalítica) del metal no sea el estado de oxidación (0). Por ejemplo, puede ser que los iones positivos de níquel (por ejemplo, los iones Ni2+) en la superficie del metal sean las especies catalíticas activas. Es igualmente posible que el estado de oxidación (0) del metal (por ejemplo, níquel(0)) sea la especie catalítica activa.
Está dentro del alcance de esta invención que las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel comprenden otros elementos. Por lo tanto, las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel pueden formarse sustancialmente de un compuesto sólido que contiene níquel y que no es soluble en el medio de la reacción, por ejemplo que no es soluble en agua. Por lo tanto, el metal sólido puede ser sustancialmente un compuesto de Ni2+ sólido que no es soluble en agua, por ejemplo NiO. Alternativamente, el níquel puede estar en cualquier otro estado de oxidación positiva, por ejemplo NiO2 o Ni2O3. Como un ejemplo ilustrativo, si el metal sólido son nanopartículas de níquel, esto incluye tanto nanopartículas de Ni como nanopartículas de NiO.
Las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel pueden comprender otros materiales. Alternativamente, el níquel puede estar en la forma de una aleación que comprende níquel. En realizaciones en las que el níquel está en la forma de una nanopartícula, la nanopartícula puede inmovilizarse sobre un soporte.
Para reafirmar los tres párrafos anteriores, el catalizador puede ser un material seleccionado de níquel, NiO, NiO2, Ni2O3, u otro compuesto con níquel en un estado de oxidación positiva. Cuando el material es níquel, los iones positivos de níquel en la superficie del metal pueden ser las especies catalíticas activas.
El níquel es ferromagnético. Un metal ferromagnético permite la fácil separación del metal de una mezcla de reacción usando alguna forma de imán. Si es necesario, también permite la fácil separación del metal de otros productos sólidos de la reacción, nuevamente utilizando alguna forma de imán, por ejemplo utilizando filtración por campo magnético. Esto facilita la recuperación del metal y permite su reutilización, reduciendo así los costes.
Las formas metálicas sólidas más pequeñas, como micro y nanopartículas, nanocables o nanofibras ofrecen el beneficio de un área de superficie sustancialmente mayor en comparación con la misma cantidad de piezas de metal más grandes, lo que aumenta la cantidad de átomos metálicos disponibles para realizar la catálisis.
Los expertos en la técnica entenderán fácilmente que las nanopartículas se refieren a partículas en las que la mayoría de las partículas tienen un tamaño de 100 nm o menos.
Los expertos en la técnica entenderán fácilmente que las micropartículas se refieren a partículas en las que la mayoría de las partículas tienen un tamaño de 0.1 a 100 |im.
Los nanocables y nanofibras son alambres y fibras con un diámetro que es de 100 nm o menos.
Se puede entender que la captura de dióxido de carbono indica la conversión de dióxido de carbono gaseoso en una forma que se puede transportar y almacenar fácilmente, es decir, la conversión a un sólido o líquido seguro y estable.
El dióxido de carbono que se captura o hidrata en los métodos de la invención puede haberse liberado por combustión. Puede haber sido liberado por el ganado. Puede haber sido liberado por un volcán.
El dióxido de carbono puede ser el producto directo del proceso en el que se generó o puede haber sido purificado o parcialmente purificado antes de ser capturado en el método o uso de la invención. Puede contener otros productos del proceso en el que se generó, como monóxido de carbono, dióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno, metano, otras moléculas orgánicas, material en partículas, vapor, óxidos de nitrógeno. Alternativamente, el dióxido de carbono puede ser sustancialmente puro.
Métodos de la invención.
La invención proporciona un método para hidratar dióxido de carbono.
donde el método comprende hacer reaccionar dióxido de carbono con agua en la presencia de nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel.
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El método puede ser un método para capturar dióxido de carbón, aumentando la rata de hidratación del dióxido de carbono, o reduciendo la cantidad de dióxido de carbono que entra en la atmósfera por combustión.
Cuando el método es un método para reducir la cantidad de dióxido de carbono que entra en la atmósfera a partir de la combustión, el dióxido de carbono que reacciona con el agua se produce (es decir, liberado por) por la combustión.
En una realización, el método comprende además el paso de separar el metal sólido del producto de la reacción entre dióxido de carbono y agua.
En una realización, el método comprende además el paso de añadir una solución de M2+ al producto de la reacción entre dióxido de carbono y agua, en el que M se selecciona de Ca o Mg, o una mezcla de los dos.
En una realización, el método comprende además el paso de añadir una base al producto de la reacción entre dióxido de carbono y agua.
En una realización, el método comprende además el paso de añadir una solución de M2+ y una base al producto de la reacción entre dióxido de carbono y agua, en el que M se selecciona de Ca o Mg, o una mezcla de los dos.
En una realización, la solución de M2+ es una solución de MCl2. En una realización, la solución de M2+ es una solución de Ca2+. En una realización preferida, la solución de M2+ es una solución de CaCh.
En una realización, la base comprende iones de hidróxido. En una realización adicional, la base es un hidróxido de metal alcalino (por ejemplo, LiOH, NaOH o KOH). En una realización preferida, la base es NaOH.
En una realización, la base está en solución, por ejemplo una solución acuosa. En una realización adicional, la concentración de la base es 1 M o menos. En una realización preferida, la concentración de la base es 0.1 M a 0.5 M.
En una realización, hacer reaccionar dióxido de carbono con agua comprende pasar dióxido de carbono a través de un líquido, en la que el líquido comprende agua.
"Pasar dióxido de carbono a través de" puede significar "burbujear dióxido de carbono a través de". El experto en la técnica entenderá fácilmente que el "burbujeo" significa entregar un gas a un líquido en un punto por debajo de la superficie de ese líquido, y que permite que el gas se mueva hacia arriba a través del líquido.
En una realización, el líquido es agua o una solución acuosa.
En una realización, las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel están suspendidas en el líquido.
En una realización, las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel se irradian a medida que el dióxido de carbono reacciona con el agua, por ejemplo se irradia con luz visible. La luz visible puede ser la luz del sol.
En una realización, la reacción entre dióxido de carbono y agua se realiza a una temperatura de 25°C o superior. En una realización, la temperatura puede ser de 25 a 100°C. En una realización, la temperatura es de 50 a 70°C. Puede ser que el CO2 esté a una temperatura superior a 25°C antes de pasar a través del líquido.
En una realización, la reacción del dióxido de carbono con agua ocurre en un tanque de hidratación.
La palabra "tanque" usada en esta especificación (por ejemplo, "tanque de hidratación" o "tanque de sedimentación") no pretende ser limitante. Un "tanque" puede ser cualquier recipiente adecuado para contener un líquido. Por ejemplo, un "tanque" puede estar sellado o puede estar abierto.
En una realización, las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel pueden someterse a aplicación de ultrasonido antes de su uso. Esta aplicación de ultrasonido puede ocurrir antes de que el níquel se agregue al tanque de hidratación o mientras el níquel está en el tanque de hidratación.
En una realización, las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel se mezclan con el agua antes de la adición al tanque de hidratación. Esto puede ocurrir en una cámara de mezcla.
En una realización, el líquido puede calentarse en el tanque de hidratación. Puede ser que el CO2 esté a una temperatura superior a 25 °C antes de pasar a través del líquido. En una realización alternativa, el CO2 puede enfriarse antes de pasar a través del líquido.
En una realización, el CO2 puede purificarse o parcialmente purificarse antes de pasar a través del líquido.
'Parcialmente purificado' se puede entender que indica que una o más sustancias (por ejemplo, otros gases) que se mezclaron con el dióxido de carbono se han eliminado. Estas otras sustancias pueden eliminarse completamente o pueden eliminarse parcialmente. Esta eliminación puede lograrse usando filtros o depuradores u otros medios que puedan ser entendidos fácilmente por los expertos en la técnica.
En una realización, la concentración de las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel en el líquido es mayor que aproximadamente 10 ppm. En una realización adicional, la concentración es desde aproximadamente l0 a
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aproximadamente 100 ppm. En una realización, la concentración es desde aproximadamente 10 a aproximadamente 50 ppm. En una realización, la concentración de las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel en el líquido es de aproximadamente 30 ppm.
En una realización, el método comprende además el paso de agregar una solución que comprende iones de M2+ al líquido después de que el CO2 se haya pasado a través del líquido, en el que M se selecciona de Ca o Mg, o una mezcla de los dos.
En una realización, el CO2 se pasa a través del líquido en un tanque de hidratación, el líquido se transfiere a un tanque de sedimentación y la solución M2+ se agrega al líquido en el tanque de sedimentación, en el que M se selecciona de Ca o Mg , o una mezcla de los dos. Alternativamente, el CO2 pasa a través del líquido y la solución M2+ se agrega al líquido en el mismo tanque.
En una realización, el método comprende además el paso de añadir una base al líquido después de que el CO2 haya pasado a través del líquido. En una realización, el CO2 pasa a través del líquido en un tanque de hidratación, el líquido se transfiere a un tanque de sedimentación y la base se agrega al líquido en el tanque de sedimentación. Alternativamente, el CO2 pasa a través del líquido y la base se agrega al líquido en el mismo tanque.
En una realización, el método comprende además el paso de agregar una solución de M2+ y una base al líquido después de que el CO2 haya pasado a través del líquido, en el que M se selecciona de Ca o Mg, o una mezcla de los dos. En una realización, el CO2 se burbujea a través del líquido en un tanque de hidratación, el líquido se transfiere a un tanque de sedimentación, y la solución de M2+ y la base se agregan al líquido en el tanque de sedimentación. Alternativamente, el CO2 pasa a través del líquido y la solución de Ca2+ y la base se agregan al líquido en el mismo tanque.
La solución de M2+ también puede comprender la base o puede añadirse por separado a la base.
En una realización, el pH del líquido en el tanque de sedimentación se mantiene a un nivel superior a aproximadamente 5. En una realización adicional, el pH del líquido en el tanque de sedimentación se mantiene a un nivel de aproximadamente 6.5 a aproximadamente 7. El mantenimiento del pH se puede lograr controlando la rata de adición del líquido desde el tanque de hidratación o controlando la rata de adición de la base.
En una realización, la solución de M2+ es una solución de MCl2. En una realización, la solución de M2+ es una solución de Ca2+. En una realización preferida, la solución de M2+ es una solución de CaCh.
En una realización, a medida que el líquido se transfiere al tanque de sedimentación, pasa a través de un separador que separa las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel del líquido. Como el níquel es ferromagnético, el separador puede ser un separador magnético.
En una realización alternativa, el líquido se separa a partir de las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel antes de que el líquido se transfiera desde el tanque de hidratación. Esto se puede lograr por filtración, particularmente si el níquel está unido a un soporte sólido. En esta realización, las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel pueden permanecer en el tanque de hidratación. Se puede usar un imán para retener el níquel en el tanque de hidratación.
En una realización, una vez separado del líquido, el níquel se transfiere al tanque de hidratación. Puede transferirse directamente o puede mezclarse con agua y luego agregarse al tanque de hidratación. Por lo tanto, se puede transferir a una cámara de mezcla, mezclar con agua y luego transferir a la cámara de hidratación.
En realizaciones en las que el líquido en el tanque de hidratación se calienta, puede enfriarse antes de agregarse al tanque de sedimentación.
En una realización, el método comprende además el paso de separar un producto sólido del líquido. "Producto sólido" puede entenderse como un producto sólido que se forma en cualquier etapa del método descrito aquí. El producto sólido se puede formar durante el paso de hidratación o se puede formar durante los pasos posteriores, como cuando se agrega una solución de M2+ al producto de la reacción entre dióxido de carbono y agua.
En algunas realizaciones, este producto sólido comprenderá MCO3 y la separación se producirá después de que la solución de M2+ se haya agregado al líquido. En una realización preferida, el tanque de sedimentación está unido a un separador sólido.
Puede ser que el producto sólido también comprenda las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel. En otras palabras, el sólido que se separa del líquido contiene tanto nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel como un producto sólido que se forma en cualquier etapa del método de la invención. En una realización, el método comprende además el paso de separar las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel del producto sólido. Esto se puede lograr utilizando un imán. En una realización, una vez separado del producto sólido, el níquel se transfiere al tanque de hidratación.
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En algunas realizaciones, el producto sólido aislado puede contener cantidades detectables de nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel.
En una realización, el método comprende además eliminar el exceso de líquido de uno o ambos tanques. En una realización, el método comprende además eliminar el exceso de líquido del tanque de sedimentación. Este exceso de líquido puede ser una solución de cloruro de metal alcalino (por ejemplo, una solución de cloruro de sodio).
En una realización, los métodos de la invención son continuos.
Aparato de la invención.
En un aspecto de la invención se proporciona un aparato para la captura de carbono; donde el aparato comprende:
un tanque de hidratación que contiene un líquido que comprende agua y nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel en contacto con el líquido;
un medio para burbujear CO2 a través del líquido.
En una realización, el aparato comprende además: un tanque de sedimentación conectado al tanque de hidratación y un medio para transferir el líquido desde el tanque de hidratación al tanque de sedimentación.
En una realización, el aparato comprende además una cámara de mezcla unida al tanque de hidratación. En una realización, la cámara de mezcla comprende un dispositivo de mezcla, por ejemplo un agitador mecánico.
En una realización, el aparato comprende un medio para separar las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel del líquido. En una realización, este medio está situado en el tanque de hidratación. En una realización alternativa, los medios para transferir el líquido desde el tanque de hidratación al tanque de sedimentación comprenden un medio para separar las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel del líquido. En una realización, el medio es un medio de filtrado. En una realización, el medio es un medio magnético.
En una realización, los medios para transferir el líquido desde el tanque de hidratación al tanque de sedimentación comprenden un dispositivo de enfriamiento.
En una realización, el tanque de hidratación comprende una descarga.
En una realización, el tanque de hidratación comprende una fuente de agua.
En una realización, el tanque de hidratación comprende una fuente caliente.
En una realización, el tanque de sedimentación comprende una fuente de Ca2+.
En una realización, el tanque de sedimentación comprende una fuente de base (por ejemplo, una fuente de iones hidróxido).
En una realización, el tanque de sedimentación comprende un dispositivo de mezcla, por ejemplo un agitador mecánico
En una realización, el tanque de hidratación comprende un dispositivo de mezcla, por ejemplo un agitador mecánico
En una realización, el tanque de sedimentación comprende uno o más tubos de salida. Estas salidas están situadas preferiblemente hacia la parte superior del tanque de sedimentación.
En una realización, el aparato comprende un medio para separar un producto sólido de un líquido. En una realización, este medio está unido al tanque de sedimentación. En una realización, este medio está unido preferiblemente en o cerca del fondo del tanque de sedimentación. En una realización, este medio es un transportador de tornillo.
En una realización, el aparato comprende un medio para irradiar las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel, por ejemplo un medio para irradiar las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel con luz visible. Los medios pueden causar o permitir la irradiación. La luz visible puede ser la luz del sol. Los medios para irradiar las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel pueden ser o comprender un dispositivo que genera radiación (por ejemplo, una lámpara) o puede ser que al menos una porción del recipiente de reacción sea transparente o sustancialmente transparente o puede ser una combinación de un dispositivo que genera radiación y que al menos una porción del recipiente de reacción es transparente o sustancialmente transparente.
En una realización, el aparato es adecuado para llevar a cabo los métodos de la invención.
La Figura 7 muestra un diagrama esquemático de un aparato adecuado para practicar los métodos de la invención. Esto se proporciona solo con fines ilustrativos y no pretende limitar el alcance de la invención.
El aparato comprende un tanque 1 de hidratación y un tanque 2 de sedimentación.
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El tanque de hidratación comprende un burbujeador 3 (que también puede ser conocido como un rociador) que permite que el gas que contiene CO2 se burbujee a través del tanque 1 de hidratación. El tanque de hidratación también comprende una descarga 4 situada hacia la parte superior del tanque hidratación, a través de la cual puede escapar cualquier gas libre de CO2. En uso, el tanque de hidratación contendrá agua y nanopartículas de níquel y el gas CO2 que se burbujea a través del tanque se convertirá en ácido carbónico en solución.
El aparato también comprende una cámara 6 mezcladora en la que las nanopartículas de níquel se suspenden en agua. La cámara 6 mezcladora comprende un agitador 7 mecánico y un motor 8, que acciona el agitador 7.
La solución de ácido carbónico, con las nanopartículas de níquel en suspensión, se conecta a un separador 5 magnético. Esto separa las nanopartículas de níquel ferromagnéticas de la solución de ácido carbónico. Las nanopartículas de níquel se transfieren nuevamente a la cámara 6 mezcladora y se reutilizan en la reacción de hidratación. La solución de ácido carbónico se transfiere al tanque 2 de sedimentación.
Se añaden una solución de NaOH y una solución de CaCl2 al tanque 2 de sedimentación y se forma carbonato de calcio sólido, junto con la solución de NaCl.
El tanque 2 de sedimentación comprende un agitador 9 mecánico, accionado por un motor 11.
El tanque 2 de sedimentación comprende uno o más tubos 10 de salida a través de los cuales fluye el exceso de líquido, que en gran parte comprende una solución de NaCl. El tanque de sedimentación está conectado, hacia la parte inferior, a un transportador 13 de tornillo que elimina continuamente el CaCO3 sólido del tanque de sedimentación. El transportador de tornillo es accionado por un motor 12.
Ejemplos - Experimental General
El cilindro de CO2 (99% de pureza) se compró a BOC. Las nanopartículas de níquel se adquirieron en Nano Technologies, Corea. El hidróxido de sodio y el ácido clorhídrico (0.1 M) se compraron a Sigma Aldrich y se usaron sin purificación adicional. El agua utilizada tanto para los ejemplos como para la preparación química se destiló y filtró y tuvo una baja conductividad. La solución de NaOH 0.1 M se preparó disolviendo NaOH en agua desionizada y se estandarizó utilizando una solución de HCl 0.1 M.
Ejemplo 1
Las nanopartículas compradas se caracterizaron utilizando microscopía electrónica de transmisión (TEM) para determinar la distribución del tamaño de las nanopartículas. Las imágenes TEM de las nanopartículas de Ni se pueden ver en la Figura 1. El tamaño de la mayoría de las partículas fue inferior a 100 nm, según lo prescrito por el fabricante. La presencia de las nanopartículas de Ni se confirmó usando espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDX) que se ve en la Figura 2. Los planos cristalinos de las nanopartículas se pueden ver mediante el patrón de Difracción de Electrones de Área Seleccionada (SAED) (Figura 3) y corresponden a los planos de red [220], [311], [222], [400], [422] y [531] respectivamente. Del patrón se puede concluir que las nanopartículas son de estructura policristalina
Ejemplo 2
El experimento para la determinación de la concentración de CO2 se realizó en un recipiente con camisa de 20 ml comprado en Soham Scientific. Se burbujeó gas de CO2 (a 1 atm) en 10 ml de agua desionizada o suspensión de nanopartículas de Ni durante 30 min y luego se tituló con una solución de NaOH 0.1 M.
Se observa que cuando las nanopartículas de Ni están presentes en el agua, aumenta el contenido de dióxido de carbono de la solución después de 30 minutos de burbujeo (Figura 4). A medida que aumenta la concentración de nanopartículas de níquel, se observa un aumento en la cantidad de dióxido de carbono presente en el agua hasta que se alcanza un máximo (a 30 ppm) y luego el valor disminuye lentamente.
Ejemplo 3
Los experimentos de rata de absorción de CO2 se realizaron en un kit que consistía en un volumen fijo (200 ml) de agua y se hizo pasar CO2 a una presión de 1 atm (0.01MPa) usando una frita. El pH y la conductividad se midieron con un medidor de pH de mesa pH-209 (Hanna Instruments) y plONneerer30 (Radiometer Analytical). La temperatura se mantuvo utilizando un baño de temperatura BS5 (Fisher Scientific). La concentración de nanopartículas de níquel fue de 30 ppm
La rata de cambio del pH y la conductividad se puede ver en las Figuras 5a y 5b. Se realizaron dos series de experimentos a diferentes valores de pH para probar la actividad catalítica de las nanopartículas de Ni a valores de pH por encima y por debajo de 6 (Fig. 5a y Fig. 5b respectivamente). Dado que se produce una caída en el pH debido a la formación de ácido carbónico, la rata de cambio en el pH está relacionada con la rata de reacción (rA). Puede verse en las figuras 5a y 5b que, en ambos casos, la rata de cambio en el pH en la presencia del catalizador es más rápida que la rata de cambio en el pH en ausencia del catalizador.
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Del mismo modo, se puede observar en las Figuras 5a y 5b que la rata de aumento en la conductividad de la solución es mayor en la presencia de las nanopartículas que sin ellas.
Ejemplo 4
Las nanopartículas se suspendieron en agua y se sometieron a aplicación de ultrasonido durante cinco minutos.
La suspensión se burbujeó entonces con gas de CO2 (ejecución de absorción, observada por la caída de pH) durante 30 minutos a una presión atmosférica. Luego, el gas se cambió a argón (ejecución de desorción, visto por un aumento en el pH) y se burbujeó durante otros 30 minutos. Al final de los 25 minutos (desorción), la suspensión se aplico ultrasonido nuevamente y el procedimiento se repitió nuevamente. El pH se controló continuamente para la ejecución de absorción y desorción y se puede ver la variación en el pH en la Figura 6.
Ejemplo 5
Se uso agua desionizada para todo el proceso (DC9, Purite RU). Se utilizó un 99% de CO2 puro (BOC, RU) en los experimentos. Se preparó una suspensión de nanopartículas de níquel mediante la adición de 6 mg de nanopartículas de níquel (Nano Technology Inc, Corea) en 200 ml de agua desionizada y se aplico ultrasonido (Hilsonic) durante 5 minutos hasta que la solución se volvió uniforme. Se tomaron 200 ml de agua desionizada o una suspensión de nanopartículas de níquel en un frasco de vidrio y se colocaron en un baño de agua (BS5, Fisher Scientific). La sonda de pH se insertó en el reactor y se registró usando un medidor de pH (HI 2550, Hanna Industries Ltd.) conectado a la computadora. La temperatura del baño de agua se mantuvo a la temperatura requerida (+ 0.2°C) (se alcanzaron temperaturas más bajas que la temperatura ambiente agregando hielo al baño de agua). Se burbujeó CO2 a través de la mezcla a una rata de flujo de gas de 1.69 mMmin-1 y se registraron los cambios en el pH.
La Figura 8 muestra que los perfiles de cambio de pH durante el CO2 se burbujearon en agua desionizada (o en una suspensión de nanopartículas de níquel) a varias temperaturas: a) 10 °C, b) 20 °C, c) 30 °C, d) 40 °C, e) 50 °C y f) 60 °C. Se puede observar que para las temperaturas la suspensión de nanopartículas de níquel tiene un cambio de pH más rápido que el del agua desionizada. Esto demuestra que las nanopartículas de níquel tienen un efecto sobre la reacción del CO2 con el agua. El pH inicial de las nanopartículas de níquel es mayor que el del agua desionizada debido a la naturaleza básica de las nanopartículas de níquel.
Ejemplo 6
La concentración de equilibrio de CO2 a diferentes temperaturas se calculó burbujeando gas de CO2 a través de un reactor con camisa de 20 ml manteniéndose a la temperatura requerida. La concentración del gas disuelto se calculó titulando la solución con una solución de hidróxido de sodio 0.1 M. La solución de hidróxido de sodio se estandarizó usando hidrógeno ftalato de potasio 0.1 M
En la figura 9 se puede observar que la suspensión de nanopartículas de níquel (30 ppm) contenía más CO2 que el agua desionizada. El resultado, a 20 °C, muestra una absorción tres veces mayor de CO2 en nanopartículas de níquel que en el agua desionizada, similar a los resultados mostrados en el Ejemplo 2. El agua desionizada muestra una tendencia lineal en la disminución de la concentración de CO2 con el aumento de la temperatura. Las nanopartículas de níquel no muestran una dependencia lineal muy fuerte (es decir, el valor de regresión es de 0.94 en el caso de las nanopartículas de níquel y es de 0.99 en el caso de agua desionizada).
La Figura 10 muestra la cantidad de absorción de CO2 con el aumento de la temperatura. Se puede observar en la figura que hay una mejora de 11 veces en la capacidad de absorción de la suspensión de nanopartículas de níquel que la del agua desionizada a una temperatura más alta que el agua desionizada sola.
Ejemplo 7
La monoetanolamina (MEA; pureza del 99%) se compró de Sigma Aldrich y se usó sin purificación adicional. Se usó agua desionizada para preparar dos soluciones al 10% en volumen (100 ml). Se preparó una suspensión de 30 ppm de la solución de MEA agregando la cantidad requerida de nanopartículas de níquel (Nano Technology Inc, Corea) a una de las soluciones de MEA. Se usaron 100 ml de cada solución/suspensión para los estudios de perfil de pH. Todas las medidas se obtuvieron a 20°C.
Se colocaron 100 ml de solución en estudio en un frasco de vidrio de 120 ml (Weatson, RU). El frasco se colocó en un baño de agua mantenido a 20°C, se agregaron un burbujeador de gas y una sonda de pH y el frasco se tapó. El pH se midió utilizando un medidor de pH (HI 2550, Hanna Instruments) con registro de datos en una computadora portátil. Se burbujeó el gas a una rata de flujo de 1.69.
La Figura 11 muestra el perfil de cambio de pH para las soluciones de monoetanolamina en la presencia y ausencia de nanopartículas de níquel. Se puede observar en la figura que la solución con las nanopartículas de níquel suspendidas en su interior tiene una absorción más rápida de CO2 que la que no tiene nanopartículas de níquel.

Claims (15)

  1. 5
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    REIVINDICACIONES
    1. Un uso de nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel como un catalizador para la hidratación del dióxido de carbono.
  2. 2. El uso de la reivindicación 1, en el que se usan nanopartículas de níquel como el catalizador.
  3. 3. El uso de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el CO2 se burbujea a través de un líquido que comprende agua; opcionalmente, en el que el líquido que comprende agua es agua o una solución acuosa.
  4. 4. El uso de cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en el que las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel se inmovilizan sobre un soporte sólido; opcionalmente, en el que el soporte es un soporte de óxido.
  5. 5. Un método para aumentar la rata de hidratación del dióxido de carbono; donde el método comprende hacer reaccionar dióxido de carbón con agua en la presencia de nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel.
  6. 6. El método de la reivindicación 5, en el que las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel se inmovilizan sobre un soporte sólido.
  7. 7. El método de cualquiera de las reivindicaciones 5 o 6, en el que hacer reaccionar dióxido de carbono con agua comprende pasar dióxido de carbono a través de un líquido, en el que el líquido comprende agua; opcionalmente en el que el líquido es agua o una solución acuosa; además, opcionalmente, en el que las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel se suspenden en el líquido.
  8. 8. El método de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el que el método comprende además el paso de añadir una solución de M2+ al producto de la reacción entre dióxido de carbón y agua, en el que M se selecciona de Ca y Mg, o una mezcla de los dos.
  9. 9. El método de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, en el que el método comprende además el paso de añadir una base al producto de la reacción entre dióxido de carbono y agua.
  10. 10. El método de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el que el método comprende además el paso de añadir una solución de M2+ y una base al producto de la reacción entre dióxido de carbono y agua, en el que M se selecciona de Ca y Mg, o una mezcla de los dos.
  11. 11. El método de la reivindicación 8 o la reivindicación 10, en el que la solución de M2+ es una solución de MCh.
  12. 12. El método de la reivindicación 9 o la reivindicación 10, en el que la base es un hidróxido de metal alcalino; opcionalmente en el que la base es NaOH.
  13. 13. El método de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 12, donde el método comprende además el paso de separar las nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel del producto de la reacción entre dióxido de carbono y agua.
  14. 14. El método de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 13, en el que el método es continuo.
  15. 15. Un aparato para capturar dióxido de carbono, donde el aparato comprende:
    un tanque de hidratación que contiene un líquido que comprende agua y nanopartículas, nanocables o nanofibras de níquel en contacto con el líquido; y
    un medio para burbujear CO2 a través del líquido.
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