Dióxido de carbono supercrítico
El dióxido de carbono por encima de su punto crítico

Diagrama de fases de presión y temperatura del dióxido de carbono
Este vídeo muestra la propiedad del dióxido de carbono de pasar a un estado supercrítico con el aumento de la temperatura.

Dióxido de carbono supercrítico ( s CO
2) es un estado fluido del dióxido de carbono donde se mantiene a su temperatura crítica y presión crítica o por encima de ella .

El dióxido de carbono se comporta normalmente como un gas en el aire a temperatura y presión estándar (STP), o como un sólido llamado hielo seco cuando se enfría y/o presuriza lo suficiente. Si tanto la temperatura como la presión se incrementan desde STP para estar en o por encima del punto crítico para el dióxido de carbono, puede adoptar propiedades intermedias entre un gas y un líquido . Más específicamente, se comporta como un fluido supercrítico por encima de su temperatura crítica (304,128 K, 30,9780 °C, 87,7604 °F) [1] y presión crítica (7,3773 MPa, 72,808 atm, 1070,0 psi, 73,773 bar), [1] expandiéndose para llenar su recipiente como un gas pero con una densidad como la de un líquido.

CO supercrítico
2se está convirtiendo en un importante disolvente comercial e industrial debido a su papel en la extracción química , además de su toxicidad relativamente baja y su impacto ambiental. La temperatura relativamente baja del proceso y la estabilidad del CO
2También permite extraer compuestos con poco daño o desnaturalización . Además, la solubilidad de muchos compuestos extraídos en CO
2varía con la presión, [2] lo que permite extracciones selectivas.

Aplicaciones

Solvente

El dióxido de carbono está ganando popularidad entre los fabricantes de café que buscan alejarse de los solventes descafeinizantes clásicos .
2El dióxido de carbono supercrítico se utiliza para eliminar pesticidas organoclorados y metales de los cultivos agrícolas sin adulterar los componentes deseados de la materia vegetal en la industria de los suplementos herbales . [ 3]

El dióxido de carbono supercrítico se puede utilizar como disolvente en la limpieza en seco . [4]

El dióxido de carbono supercrítico se utiliza como disolvente de extracción para la creación de aceites esenciales y otros destilados de hierbas . [5] Sus principales ventajas sobre disolventes como el hexano y la acetona en este proceso son que no es inflamable y no deja residuos tóxicos. Además, la separación de los componentes de la reacción del material de partida es mucho más sencilla que con los disolventes orgánicos tradicionales . El CO
2Puede evaporarse al aire o reciclarse por condensación en un recipiente de recuperación. Su ventaja sobre la destilación al vapor es que funciona a una temperatura más baja, lo que permite separar las ceras vegetales de los aceites. [6]

En los laboratorios , el CO
2Se utiliza como disolvente de extracción, por ejemplo, para determinar los hidrocarburos totales recuperables de suelos, sedimentos, cenizas volantes y otros medios, [7] y la determinación de hidrocarburos aromáticos policíclicos en suelos y residuos sólidos. [8] La extracción con fluidos supercríticos se ha utilizado para determinar los componentes de hidrocarburos en el agua. [9]

Procesos que utilizan CO
2Se están desarrollando métodos para producir partículas a escala micro y nanométrica , a menudo para usos farmacéuticos . El proceso antidisolvente gaseoso , la expansión rápida de soluciones supercríticas y la precipitación antidisolvente supercrítica (así como varios métodos relacionados) procesan una variedad de sustancias para convertirlas en partículas. [10]

Debido a su capacidad para disolver selectivamente compuestos orgánicos y ayudar al funcionamiento de las enzimas, el CO
2Se ha sugerido como un disolvente potencial para apoyar la actividad biológica en Venus - o planetas tipo súper-Tierra . [11]

Productos manufacturados

Se fabrican sustitutos de bajo costo y beneficiosos para el medio ambiente de los termoplásticos rígidos y la cerámica cocida utilizando CO
2como reactivo químico . El CO
2En estos procesos se reacciona con los componentes alcalinos del cemento hidráulico o yeso completamente endurecido para formar diversos carbonatos. [12] El subproducto principal es agua.

de CO
2Se utiliza en la formación de espuma de polímeros . El dióxido de carbono supercrítico puede saturar el polímero con disolvente. Al despresurizarse y calentarse, el dióxido de carbono se expande rápidamente, lo que provoca huecos en la matriz del polímero, es decir, crea una espuma . Se están realizando investigaciones sobre espumas microcelulares.

Se promueve una carboxilación electroquímica de un cloruro de para- isobutilbencilo a ibuprofeno bajo CO
2. [13]

Fluido de trabajo

de CO
2es químicamente estable, confiable, de bajo costo, no inflamable y fácilmente disponible, lo que lo convierte en un candidato deseable como fluido de trabajo para ciclos transcríticos . [14]

El CO2 supercrítico se utiliza como fluido de trabajo en las bombas de calor de agua domésticas . Las bombas de calor, que se fabrican y utilizan ampliamente, están disponibles para calefacción y refrigeración domésticas y comerciales. [14] Si bien algunas de las bombas de calor de agua domésticas más comunes eliminan el calor del espacio en el que están ubicadas, como un sótano o un garaje, los calentadores de agua con bomba de calor de CO2 generalmente se ubican en el exterior, donde eliminan el calor del aire exterior. [14]

Generación de energía

Las propiedades únicas del CO
2Presentan ventajas para la generación de energía en circuito cerrado y se pueden aplicar a aplicaciones de generación de energía. Los sistemas de generación de energía que utilizan ciclos tradicionales de aire Brayton y Rankine de vapor pueden utilizar CO
2para aumentar la eficiencia y la potencia de salida.

El relativamente nuevo ciclo de energía de Allam utiliza CO2S como fluido de trabajo en combinación con combustible y oxígeno puro. El CO2 producido por la combustión se mezcla con el fluido de trabajo de CO2S. Una cantidad correspondiente de CO2 puro debe eliminarse del proceso (para uso industrial o secuestro). Este proceso reduce las emisiones atmosféricas a cero.

El CO2 s promete mejoras sustanciales en la eficiencia. Debido a su alta densidad de fluido, el CO2 s permite una turbomáquina compacta y eficiente. Puede utilizar diseños de carcasa única más simples, mientras que las turbinas de vapor requieren múltiples etapas de turbina y carcasas asociadas, así como tuberías de entrada y salida adicionales. La alta densidad permite una tecnología de intercambiador de calor más compacta basada en microcanales. [15]

En el caso de la energía solar concentrada , la temperatura crítica del dióxido de carbono no es lo suficientemente alta como para obtener la máxima eficiencia de conversión de energía. Las plantas termosolares suelen estar ubicadas en zonas áridas, por lo que es imposible enfriar el disipador de calor a temperaturas subcríticas. Por lo tanto, se están desarrollando mezclas de dióxido de carbono supercrítico , con temperaturas críticas más altas, para mejorar la producción de electricidad mediante energía solar concentrada.

Además, debido a su estabilidad térmica superior y su no inflamabilidad, es posible el intercambio directo de calor desde fuentes de alta temperatura, lo que permite temperaturas de fluido de trabajo más altas y, por lo tanto, una mayor eficiencia del ciclo. A diferencia del flujo bifásico, la naturaleza monofásica del CO
2elimina la necesidad de un aporte de calor para el cambio de fase que se requiere para la conversión de agua a vapor, eliminando así también la fatiga térmica y la corrosión asociadas. [16]

El uso de s CO
2presenta problemas de ingeniería de corrosión , selección de materiales y diseño. Los materiales en los componentes de generación de energía deben mostrar resistencia al daño causado por altas temperaturas , oxidación y fluencia . Los materiales candidatos que cumplen con estos objetivos de propiedades y rendimiento incluyen aleaciones existentes en la generación de energía, como superaleaciones a base de níquel para componentes de turbomaquinaria y aceros inoxidables austeníticos para tuberías. Los componentes dentro de s CO
2Los circuitos Brayton sufren corrosión y erosión, específicamente erosión en los componentes de turbomaquinaria e intercambiadores de calor recuperativos y corrosión intergranular y picaduras en las tuberías. [17]

Se han realizado pruebas en aleaciones candidatas a base de Ni, aceros austeníticos, aceros ferríticos y cerámicas para determinar la resistencia a la corrosión en CO.
2El interés en estos materiales se deriva de su capacidad para formar capas protectoras de óxido en la superficie en presencia de dióxido de carbono, sin embargo, en la mayoría de los casos se requiere una evaluación más profunda de la mecánica de reacción y de la cinética y los mecanismos de corrosión/erosión, ya que ninguno de los materiales cumple con los objetivos necesarios. [18] [19]

En 2016, General Electric anunció una turbina basada en CO2 que permitía una eficiencia del 50% en la conversión de energía térmica en energía eléctrica. En ella, el CO2 se calienta a 700 °C. Requiere menos compresión y permite la transferencia de calor. Alcanza su máxima potencia en 2 minutos, mientras que las turbinas de vapor necesitan al menos 30 minutos. El prototipo generó 10 MW y tiene aproximadamente el 10% del tamaño de una turbina de vapor comparable. [20] La planta piloto de energía eléctrica transformacional supercrítica (STEP) de 10 MW y 155 millones de dólares estadounidenses se completó en 2023 en San Antonio. Tiene el tamaño de un escritorio y puede abastecer a unos 10.000 hogares. [21]

Otro

Se está trabajando para desarrollar un CO
2 turbina de gas de ciclo cerrado que funcione a temperaturas cercanas a los 550 °C. Esto tendría implicaciones para la generación térmica y nuclear de electricidad a gran escala, porque las propiedades supercríticas del dióxido de carbono a más de 500 °C y 20 MPa permiten eficiencias térmicas cercanas al 45 por ciento. Esto podría aumentar la energía eléctrica producida por unidad de combustible requerida en un 40 por ciento o más. Dado el volumen de combustibles de carbono utilizados para producir electricidad, el impacto ambiental de los aumentos de la eficiencia del ciclo sería significativo. [22]

CO supercrítico
2es un refrigerante natural emergente, utilizado en nuevas soluciones bajas en carbono para bombas de calor domésticas. CO supercrítico
2En Asia se comercializan bombas de calor. Los sistemas EcoCute de Japón, desarrollados por Mayekawa, generan agua para uso doméstico a alta temperatura con un pequeño consumo de energía eléctrica, trasladando el calor del entorno al sistema. [23]

CO supercrítico
2Se ha utilizado desde la década de 1980 para mejorar la recuperación en yacimientos petrolíferos maduros.

Están surgiendo tecnologías de " carbón limpio " que podrían combinar estos métodos de recuperación mejorada con el secuestro de carbono . Al utilizar gasificadores en lugar de hornos convencionales, el carbón y el agua se reducen a gas hidrógeno, dióxido de carbono y cenizas. Este gas hidrógeno se puede utilizar para producir energía eléctrica. En las turbinas de gas de ciclo combinado , el CO
2Se captura, se comprime al estado supercrítico y se inyecta en el almacenamiento geológico, posiblemente en yacimientos petrolíferos existentes para mejorar los rendimientos. [24] [25] [26]

CO supercrítico
2Se puede utilizar como fluido de trabajo para la generación de electricidad geotérmica tanto en sistemas geotérmicos mejorados [27] [28] [29] [30] como en sistemas geotérmicos sedimentarios (los llamados CO
2Los sistemas EGS utilizan un yacimiento fracturado artificialmente en la roca del basamento , mientras que los sistemas CPG utilizan yacimientos sedimentarios naturalmente permeables menos profundos. Posibles ventajas del uso de CO
2En un yacimiento geológico, en comparación con el agua, incluyen un mayor rendimiento energético resultante de su menor viscosidad, una mejor interacción química y una CO permanente.
2almacenamiento ya que el depósito debe llenarse con grandes masas de CO
2Hasta 2011, el concepto no había sido probado en el campo. [33]

Producción de aerogel

El dióxido de carbono supercrítico se utiliza en la producción de aerogeles a base de sílice, carbono y metales . Por ejemplo, se forma un gel de dióxido de silicio y luego se expone a CO
2. Cuando el CO
2se vuelve supercrítico, se elimina toda la tensión superficial, lo que permite que el líquido salga del aerogel y produzca poros de tamaño nanométrico. [34]

Esterilización de materiales biomédicos

CO supercrítico
2es una alternativa para la esterilización térmica de materiales biológicos y dispositivos médicos con la combinación del aditivo ácido peracético (PAA). CO supercrítico
2No esteriliza el medio, ya que no mata las esporas de los microorganismos. Además, este proceso es suave, ya que se conservan la morfología, la ultraestructura y los perfiles proteicos de los microbios inactivados. [35]

Limpieza

CO supercrítico
2Se utiliza en ciertos procesos de limpieza industrial .

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Span, Roland; Wagner, Wolfgang (1996). "Una nueva ecuación de estado para el dióxido de carbono que cubre la región del fluido desde la temperatura del punto triple hasta 1100 K a presiones de hasta 800 MPa". Journal of Physical and Chemical Reference Data . 25 (6): 1509–1596. Bibcode :1996JPCRD..25.1509S. doi :10.1063/1.555991.
  2. ^ Descubrimiento: ¿Puede la química salvar al mundo? - BBC World Service
  3. ^ Departamento de Análisis Farmacéutico, Universidad Farmacéutica de Shenyang, Shenyang 110016, China
  4. ^ Stewart, Gina (2003), Joseph M. DeSimone; William Tumas (eds.), "Limpieza en seco con dióxido de carbono líquido", Química verde con dióxido de carbono líquido y S CO
    2    :215–227
  5. ^ Aizpurua-Olaizola, Oier; Ormazabal, Markel; Vallejo, Asier; Olivares, Maitane; Navarro, Patricia; Etxebarría, Néstor; Usobiaga, Aresatz (1 de enero de 2015). "Optimización de extracciones consecutivas en fluido supercrítico de ácidos grasos y polifenoles de residuos de uva de Vitis vinifera". Revista de ciencia de los alimentos . 80 (1): E101-107. doi :10.1111/1750-3841.12715. ISSN  1750-3841. PMID  25471637.
  6. ^ Mendiola, JA; Herrero, M.; Cifuentes, A.; Ibañez, E. (2007). "Uso de fluidos comprimidos para la preparación de muestras: aplicaciones en alimentos". Journal of Chromatography A . 1152 (1–2): 234–246. doi :10.1016/j.chroma.2007.02.046. hdl : 10261/12445 . PMID  17353022.
  7. ^ "Métodos de prueba | Residuos - Residuos peligrosos | EPA de EE. UU." wayback.archive-it.org . Archivado desde el original el 17 de diciembre de 2008 . Consultado el 5 de febrero de 2018 .{{cite web}}: CS1 maint: bot: estado de URL original desconocido ( enlace )
  8. ^ Método 3561 de la USEPA para la extracción de hidrocarburos aromáticos policíclicos mediante fluidos supercríticos.
  9. ^ Uso de sustancias que dañan la capa de ozono en laboratorios. TemaNord 2003:516.
  10. ^ Yeo, S.; Kiran, E. (2005). "Formación de partículas poliméricas con fluidos supercríticos: una revisión". J. Supercrit. Fluids . 34 (3): 287–308. doi :10.1016/j.supflu.2004.10.006.
  11. ^ Budisa, Nediljko; Schulze-Makuch, Dirk (8 de agosto de 2014). "Dióxido de carbono supercrítico y su potencial como disolvente para sustentar la vida en un entorno planetario". Life . 4 (3): 331–340. Bibcode :2014Life....4..331B. doi : 10.3390/life4030331 . PMC 4206850 . PMID  25370376. 
  12. ^ Rubin, James B.; Taylor, Craig MV; Hartmann, Thomas; Paviet-Hartmann, Patricia (2003), Joseph M. DeSimone; William Tumas (eds.), "Mejora de las propiedades de los cementos Portland mediante dióxido de carbono supercrítico", Química verde con dióxido de carbono líquido y supercrítico : 241–255
  13. ^ Sakakura, Toshiyasu; Choi, Jun-Chul; Yasuda, Hiroyuki (13 de junio de 2007). "Transformación del dióxido de carbono". Chemical Reviews . 107 (6): 2365–2387. doi :10.1021/cr068357u. PMID  17564481.
  14. ^ abc Ma, Yitai; Liu, Zhongyan; Tian, ​​Hua (2013). "Una revisión de los ciclos de refrigeración y bombas de calor de dióxido de carbono transcrítico". Energía . 55 : 156–172. Bibcode :2013Ene....55..156M. doi :10.1016/j.energy.2013.03.030. ISSN  0360-5442.
  15. ^ "Desarrollos y comercialización del ciclo energético del CO2 supercrítico: por qué el CO2 supercrítico puede desplazar al vapor" (PDF) .
  16. ^ "Los ciclos de energía de dióxido de carbono supercrítico comienzan a llegar al mercado". Breaking Energy .
  17. ^ "Comportamiento de la corrosión y la erosión en ciclos de potencia de sCO2" (PDF) . Sandia National Laboratories.
  18. ^ "EL EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA COMPATIBILIDAD DE LAS ALEACIONES ESTRUCTURALES CONVENCIONALES CON EL CO2" (PDF) . 4º Simposio Internacional - Ciclos de potencia con CO2 supercrítico. Archivado desde el original (PDF) el 23 de abril de 2016.
  19. ^ J. Parks, Curtis. "Corrosión de aleaciones de alta temperatura candidatas en dióxido de carbono supercrítico" (PDF) . Instituto Ottawa-Carleton de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial.
  20. ^ Talbot, David (11 de abril de 2016). «Una turbina del tamaño de un escritorio podría suministrar energía a una ciudad». MIT Technology Review . Consultado el 13 de abril de 2016 .
  21. ^ Blain, Loz (1 de noviembre de 2023). «Un proyecto piloto de CO2 supercrítico tiene como objetivo hacer obsoletas las turbinas de vapor». New Atlas . Consultado el 4 de noviembre de 2023 .
  22. ^ V. Dostal, MJ Driscoll, P. Hejzlar, "Un ciclo de dióxido de carbono supercrítico para los reactores nucleares de próxima generación" (PDF) . Consultado el 20 de noviembre de 2007 . Serie MIT-ANP , MIT-ANP-TR-100 (2004)
  23. ^ "Bombas de calor". Mayekawa Manufacturing Company (Mycom) . Consultado el 7 de febrero de 2015 .
  24. ^ "La economía del hidrógeno: oportunidades, costos, barreras y necesidades de I+D", pág. 84 (2004)
  25. ^ "Proyecto FutureGen 2.0". FutureGen Alliance . Archivado desde el original el 10 de febrero de 2015. Consultado el 7 de febrero de 2015 .
  26. ^ "Øyvind Vessia: "Reactor Fischer-Tropsch alimentado con gas de síntesis"". Archivado desde el original el 29 de septiembre de 2007.
  27. ^ K Pruess (2006), "Un concepto de energía geotérmica de roca seca caliente que utiliza CO2 en lugar de agua" Archivado el 8 de octubre de 2011 en Wayback Machine.
  28. ^ Donald W. Brown (2000), "Sobre la viabilidad de utilizar CO2 como fluido de transmisión de calor en un sistema geotérmico de roca seca caliente diseñado por ingeniería" Archivado el 4 de septiembre de 2006 en Wayback Machine.
  29. ^ K Pruess (2007) Sistemas geotérmicos mejorados (EGS) que comparan el agua con el CO2 como fluidos de transmisión de calor"
  30. ^ J Apps(2011), "Modelado de procesos geoquímicos en sistemas geotérmicos mejorados con CO2 como fluido de transferencia de calor"
  31. ^ Randolph, Jimmy B.; Saar, Martin O. (2011). "Combinación de la captura de energía geotérmica con el secuestro geológico de dióxido de carbono". Geophysical Research Letters . 38 (L10401): n/a. Bibcode :2011GeoRL..3810401R. doi : 10.1029/2011GL047265 .
  32. ^ Adams, Benjamin M.; Kuehn, Thomas H.; Bielicki, Jeffrey M.; Randolph, Jimmy B.; Saar, Martin O. (2015). "Una comparación de la producción de energía eléctrica de los sistemas geotérmicos de CO2 (CPG) y de salmuera para distintas condiciones de yacimiento". Applied Energy . 140 : 365–377. doi :10.1016/j.apenergy.2014.11.043.
  33. ^ http://earthsciences.typepad.com/blog/2011/06/achieving-carbon-sequestration-and-geothermal-energy-production-a-win-win.html Noticias y eventos de ESD "Lograr el secuestro de carbono y la producción de energía geotérmica: ¡una situación en la que todos ganan!"
  34. ^ "Aerogel.org » Secado supercrítico".
  35. ^ White, Angela; Burns, David; Christensen, Tim W. (2006). "Esterilización terminal eficaz utilizando dióxido de carbono supercrítico". Revista de biotecnología . 123 (4): 504–515. doi :10.1016/j.jbiotec.2005.12.033. PMID  16497403.

Lectura adicional

  • Mukhopadhyay M. (2000). Extractos naturales utilizando dióxido de carbono supercrítico . Estados Unidos: CRC Press, LLC. Vista previa gratuita en Google Books.
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