Captura y almacenamiento de Carbono
Al acumularse el CO2 en la atmósfera, nuestro planeta sufre graves consecuencias, en su clima y en sus ecosistemas.
La captura y almacenamiento de Carbono, ha estado constantemente presente en la Tierra, desde las plantas en la superficie a las algas acuáticas, realizan procesos de captura de CO2, fotosíntesis, ahora el hombre ha desarrollo otros procesos, Carbonatación Mineral.
Siendo este proceso sino la manera en la que tras los diversos procesos industriales, se capta ese CO2 resultante, para luego presurizarlo a una presión de 100 bares, para posterior ser transportados a sitios geológicamente estables, donde se los pueda inyectar y preservarlos durante miles de años.
Este proceso no es un concepto nuevo, existen ya procesos como el de lavado de aminas con almacenamiento geológico o el bucle químico o de carbonato.
El almacenamiento geológico global de CO2 plantea una gran incertidumbre en términos de cuantificación del potencial de almacenamiento, que el CO2 inyectado permanece en el subsuelo durante cientos o miles de años.
En este escenario, la Carbonación Mineral (CM) representa una opción alternativa de Captura y Almacenamiento de Carbono (CAC), que puede ser particularmente adecuada para pequeñas fuentes.
Carbonatación
La Carbonatación, es el proceso de meteorización química, por el cual, el CO2 reacciona con un hidróxido de un metal, donde el hidróxido de metal, previamente formado, lo hacen reaccionar con el Dióxido de Carbono (CO2), produciendo carbonato de calcio insoluble. (Imagen 1)
Carbonatación Mineral
La Carbonatación Mineral (CM) es la reacción de CO2 con silicatos ricos en Magnesio, Calcio y Hierro, para poder formar minerales carbonatados geológicamente estables y medioambientalmente benignos (calcita y magnesita), permitiendo el almacenamiento de CO2 en una forma estable, inerte y sólida. (Imagen 2)
Se emplean silicatos ricos en metales alcalinos térreos, debidos a que en ellos, existen ciertos factores que favorecen su utilización.
El factor de localización y
ubicación, es uno de ellos, al existir grandes fuentes de este tipo de
rocas, cerca de grandes potencias productoras de CO2, resulta conveniente su utilización. (Imagen 3)
El proceso de Carbonatación, es un proceso
exotérmico, es decir, que expide energía más no necesita de ella para la
reacción ya que igual es espontánea. (imagen 4)
Los componentes más reactivos para la mineralización del CO2 son los óxidos de metales divalentes, Calcio (Ca) y Magnesio (Mg), presentes, generalmente en forma de silicatos.
Al final se establecido a la CM como una forma acelerada de erosión de rocas silicatas naturales, propuesta en los años 90, como un enfoque alternativo para el secuestro de CO2. (Imagen 5)
Esta reacción puede darse por debajo de la tierra (in situ), o por encima de la misma (ex situ).
Carbonatación Mineral - In situ
Debajo de la tierra
- Descripción general de la CM In situ
La CM in situ, no es más que la inyección de CO2 en los embalses subterráneos, resultado de la explotación minera, petrolífera y demás, con el fin de promover la reacción entre el contaminante y los minerales alcalinos presentes en la formación geológica, formando así carbonatos. (Imagen 6)
Cabe resaltar que el proceso de CM in situ, busca por lo general la reacción entre el Óxido de metales divalentes, presentes en las rocas Silicatadas de la corteza terrestre, más CO2 para poder producir el mineral carbonatado.
En este tipo de proceso la CM, puede tomar ventaja de los materiales de silicatos de Magnesio o silicatos ricos en Hierro y Calcio. (Imagen 7)
La disponibilidad de los silicatos de Calcio y Magnesio reactivos, es el factor que controla el desarrollo de la carbonatación mineral in situ.
- Carbonatación Mineral In situ con Peridotita
La peridotita, es una roca ígnea de grano grueso, constituida principalmente de los minerales olivino y piroxeno, esta roca contiene un 45% de sílice, teniendo un alto contenido de Mg. (Imagen 8)
La peridotita es una roca ígnea plutónica formada por lo general de olivino (peridoto) acompañados de piroxenos y anfíboles. Es muy densa y de coloración oscura. Se cree que es la roca mayoritaria en la parte superior del manto terrestre. (Imagen 9)
La peridotita, es una roca ígnea de grano grueso, constituida principalmente de los minerales olivino y piroxeno, esta roca contiene un 45% de sílice, teniendo un alto contenido de Mg. (Imagen 8)
La peridotita es una roca ígnea plutónica formada por lo general de olivino (peridoto) acompañados de piroxenos y anfíboles. Es muy densa y de coloración oscura. Se cree que es la roca mayoritaria en la parte superior del manto terrestre. (Imagen 9)
- Olivino
Mineral silicatado de estructura A2SiO4, donde A puede ser cualquier metal, en preferencia se busca que el olivino tenga presencia de Mg2+ y Ca2+.
- Piroxeno
Mineral silicatado de estructura XY(Si, Al)2O6, donde X puede ser Calcio, Sodio, Hierro y Y presentan iones de menor tamaño como Cromo, Aluminio entre otros.
Las mismas constituyen la roca dominante de la parte superior de la corteza terrestre, este tipo de roca, puede ser clasificada de acorde a la proporción de olivino o de otros minerales.
- Carbonatación mineral in situ con Basalto
El basalto es una roca ígnea volcánica de color oscuro, de composición máfica (Magnesio y Hierro), rica en silicatos de magnesio y hierro y bajo contenido en sílice, que constituye una de las rocas más abundantes en la corteza terrestre.
Esta roca posee poros, resultado de su deposición dándole un alto grado de permeabilidad, donde estos se llena con agua circundante, enriquecida de iones Ca2+ y Mg 2+, que pueden reaccionar con los carbonatos que precipitan el CO2 inyectado y liberar H+ (Imagen 10)
La velocidad de la reacción puede ser controlada
mediante la concentración de H+, donde la misma no continuará hasta
que estos iones se hayan neutralizados con la roca hospedante del basalto,
considerando el olivino, podemos establecer el proceso de neutralización. (Imagen 11)
Después de la inyección del CO2, la
disolución de algunos minerales y la precipitación de otros pueden cambiar la porosidad del yacimiento. Al momento de
darse la deposición durante las primeras etapas de la inyección, del Carbonato
tras la reacción, se da una reducción del espacio de poro disponible que se
llena progresivamente de los minerales.
Carbonatación Mineral - Ex situ
Sobre la tierra
La CM ex situ, se relaciona con los procesos sobre el suelo, que requieren de la extracción de la roca y el triturado del material como pre-requisitos para la CM.
La mayoría de los procesos de CM, se centran en materiales portadores de óxidos metálicos (Ca y Mg), cuyos carbonatos son insolubles, más existen materiales de desecho, ricos en óxidos de Calcio, localizados cerca de las fuentes de CO2, por lo que estos han sido seleccionados como materia prima para la CM. Considerando esto, se ha planteado dos tipos de procesos de CM ex situ: para minerales y para desechos
Procesos desarrollados para minerales
Carbonatación Directa
Los óxidos e hidróxidos de Ca y Mg no son
abundantes, se ha buscado aquellas rocas portadoras de estos metales para los
diversos procesos. (Imagen 12)
Carbonatación Directa (CD)
Este proceso de Carbonatación, puede darse por dos vías, la primera es aquella que se da sin un pre-tratamiento a la roca silicatada.
El primer medio de Carbonatación sin pre-tratamientos, es el proceso Gas-Sólido.
En este proceso la roca silicatada, entra en reacción directamente con el gas contaminante, CO2. (Imagen 13)
El proceso mencionado antes, fue realizado por Da costa
(1997), donde él y sus colaboradores, desarrollaron un proceso de secado
directo para el secuestro de CO2, donde el gas pasa por un lecho de
rocas de olivino finamente triturada dando la reacción.
En este proceso se necesitaron de altas presiones (100-150 bar) y altas temperatura (100-500oC).
En este proceso se puede dar una mayor capacidad de almacenamiento de CO2, en presencia de humedad, ya que se relacionó la formación de Hidróxidos metálicos, con el vapor de agua y la conversión de los óxidos, para poder hacerlos reaccionar y formar los carbonatos. (Imagen 14)
El otro medio de Carbonatación sin pre-tratamientos, es el proceso acuoso.
Este proceso de CM, se por medio de la reacción previa del CO2, formado el ácido carbónico, el cual se lo ioniza obteniendo el ion bicarbonato, que será almacenado, simultáneamente se libera de la matriz mineral el ion del metal, similar al proceso químico que se analizó con la neutralización de los basaltos.
Este ion metálico reaccionará con el ion bicarbonato formando un carbonato precipitado en Hidrógeno líquido.
Esta ruta de proceso resulta de la reacción de ácido carbónico con CO2, en altas presiones (100-150 bares), en una suspensión acuosa con olivino o serpentina (Imagen 15)
La segunda vía, en la Carbonatación Directa, es aquella en la que se realiza un pre-trataminento.
Estos procesos o pre-tratamientos netamente nos sirven para acelerar los procesos de carbonatación.
Según Chang (2010): La cinética química es el área de la química que se ocupa del estudio de la velocidad, o rapidez, con que ocurre una reacción química.
El primero de ellos, consiste en la trituración de la roca, aumentando su superficie de contacto, lo que permite acelerar la reacción.
Otro de los pre-tratamiento, es el pre-tratamiento térmico, el cual es empleado a la hora de trabajar con hidroxi-silicatos, con el fin de evaporar el grupo hidroxilo de la roca, adquirido a la hora de su formación.
Este pre-tratamiento no es más que el resultado de calentar por encima de los 630o C para poder eliminar el agua ligada químicamente a la red. . (Imagen 16)
Otro de los procesos de CM ex situ directa, es el proceso a base de salmueras.
The Calera Company, en su planta de demostración en la planta de gas de Moss Landing (EE.UU), ha concentrado las emisiones de CO2 emanado de la industria, para posterior hacerlo reaccionar con una fuente de alcalinidad como es la sosa caustica (NaOH), la cual al momento de reaccionar con el CO2, formará el carbonato de Sodio más agua. (Imagen 17)
Posterior a ello este carbonato obtenido se lo puede volver hacer reaccionar con CO2, formulando nuevamente la CM, para la obtención del bicarbonato de Sodio, otro material muy indispensable en la industria.
Procesos desarrollados para minerales
Carbonatación Indirecta
Al hablar de CM indirecta, hacemos alusión a todos los procesos que tienen lugar en más de una etapa.
Durante estos procesos de CM lo que se busca es primero la extracción de los componentes reactivos de los silicatos (Mg2+ y Ca2+), por medio de la utilización de ácidos, para posterior hacer reaccionar dichos compuestos extraídos con CO2, en fase acuosa o gaseosa.
Este proceso se emplea en general a la hora de obtener un Carbonato más puro, debido a la previa eliminación de las impurezas presentes en las rocas silicatas empleadas.
En este ámbito, a la hora de disolver y obtener los compuestos reactivos necesarios, se han empleado varios ácidos como lo son el ácido clorhídrico (HCl), ácido sulfúrico (H2SO4) y ácido nítrico (HNO3).
Estos
ácidos se los hace reaccionar con las diversas rocas Silicatadas, formando así
hidróxidos con el metal deseado. (Imagen 18)
Una vez obtenido el hidróxido, se procede con el proceso de Carbonatación, donde se dará la formación del carbonato de metal más hidrógeno.
Tecnologías desarrolladas para materiales de desecho
Procesos implementados en desechos de minería
Muchos de los inconvenientes generados de la carbonatación mineral de los minerales primarios de la tierra, pueden ser evitados si se usan los desechos sólidos generados a partir de procesos industriales a gran escala.
Las ventajas que este proceso presenta son: estos materiales a menudo se asocian con emisores de CO2 de fuentes puntuales, tienden a ser menos estables que los minerales derivados geológicamente, por lo que requieren de un grado menor de tratamientos previos y condiciones operativas menos energéticas para aumentar los rendimientos de carbonatación.
Estos materiales de desecho podrían suministrar una fuente de fácil disponibilidad de materia mineral de calcio y magnesio en forma de óxidos u hidróxidos sin necesidad de minería.
Los residuos peligrosos pueden re-clasificarse mediante la neutralización del pH y la transformación de minerales.
El producto final de la etapa de secuestro puede ser modificado para su reutilización en productos, así como carbonatos de Ca o Mg puros y precipitados.
Aunque este tipo de materiales resulta mucho más conveniente, resulta que su accesibilidad es relativamente limitada y podría minorar, por el avance tecnológico-industrial.
Proceso para escoria de minería en la forma MO (Óxido de metal)
En la Minería, al momento de darse la extracción del mineral deseado, el mismo se encuentra muchas veces ligado a otros, por lo que se trata de aislarlo para su utilización.
Pero el mineral de desecho o escoria, muchas veces resulta útil en la industria, por lo que se ha planteado una técnica para esos materiales en donde su forma de mineral sea de un MO o un óxido metálico sólido.
Para entender manera general esta reacción, se ha planteado el caso de la cal viva presente como residuo de la explotación.
Los desechos que comúnmente
contienen a menudo una cantidad considerable de cal libre, donde para el
proceso de carbonatación acuosa, la hidratación irreversible del óxido de
calcio (1) es seguida por la disolución simultánea de Ca(OH)2 (2) y
la disociación de CO2 acuoso (3), a medida que los iones Ca2+
se convierten en CaCO3 y se precipitan, más Ca(OH)2 se
disuelve para igualar la concentración de Ca2+. (Imagen 19) (Imagen 20)
Proceso para escoria de minería, en forma de roca silicatada
Muchas veces es posible el encontrar el óxido metálico sólido, aislado de otros minerales, más cuando este óxido se encuentra ligado a un silicato necesita de una fase más donde por medio de lixiviación se puede aislar el ion del metal, como fue visto en los temas anteriores.
La carbonatación de residuos,
donde el CaO está unido como un silicato, lleva un proceso donde en primer
lugar el CO2 se disuelve en fase acuosa resultando H+ e
iones (1), para luego Ca (o Mg) lixivia de la matriz mineral debido a un
ambiente ligeramente ácido (2), para finalmente hacer que el Carbonato de Ca (o
Mg) precipite (3). (Imagen 21) (Imagen 22)
