Dióxido de carbono supercrítico
Dióxido de carbono supercrítico (sCO
2) es un estado fluido de dióxido de carbono donde se mantiene a o por encima de su temperatura y presión críticas.
El dióxido de carbono generalmente se comporta 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 la temperatura y la presión aumentan desde STP hasta llegar al punto crítico o por encima del mismo, el dióxido de carbono puede adoptar propiedades a medio camino 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) y presión crítica (7,3773 MPa, 72,808 atm, 1070,0 psi, 73,773 bar), expandiéndose para llenar su recipiente como un gas. pero con una densidad como la de un líquido.
Supercrítico CO
2 se está convirtiendo en un importante disolvente comercial e industrial. debido a su papel en la extracción química, además de su toxicidad e impacto ambiental relativamente bajos. La temperatura relativamente baja del proceso y la estabilidad del CO
2 también Permite extraer compuestos con poco daño o desnaturalización. Además, la solubilidad de muchos compuestos extraídos en CO
2 varía según presión, permitiendo extracciones selectivas.
Aplicaciones
Disolvente
El dióxido de carbono está ganando popularidad entre los fabricantes de café que buscan alejarse de los disolventes descafeinados clásicos. sCO
2 pasa a través de los granos de café verdes que luego se rocían con Agua a alta presión para eliminar la cafeína. Luego, la cafeína se puede aislar para su reventa (por ejemplo, a fabricantes de productos farmacéuticos o de bebidas) haciendo pasar el agua a través de filtros de carbón activado o mediante destilación, cristalización u ósmosis inversa. El dióxido de carbono supercrítico se utiliza para eliminar pesticidas organoclorados y metales de cultivos agrícolas sin adulterar los componentes deseados de la materia vegetal en la industria de suplementos a base de hierbas.
El dióxido de carbono supercrítico se puede utilizar como disolvente en la limpieza en seco.
El dióxido de carbono supercrítico se utiliza como disolvente de extracción para la creación de aceites esenciales y otros destilados de hierbas. Sus principales ventajas frente a 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
2 puede evaporarse en el aire o reciclarse por condensación en un buque de recuperación. Su ventaja sobre la destilación al vapor es que opera a una temperatura más baja, lo que puede separar las ceras vegetales de los aceites.
En laboratorios, sCO
2 se utiliza como extracción disolvente, por ejemplo para determinar el total de hidrocarburos recuperables de suelos, sedimentos, cenizas volantes y otros medios, y la determinación de hidrocarburos aromáticos policíclicos en suelos y desechos sólidos. La extracción con fluidos supercríticos se ha utilizado para determinar los componentes de hidrocarburos en el agua.
Procesos que utilizan sCO
>2 para producir micro y nano Se están desarrollando partículas de incrustaciones, a menudo para usos farmacéuticos. El proceso antisolvente gaseoso, la expansión rápida de soluciones supercríticas y la precipitación antisolvente supercrítica (así como varios métodos relacionados) procesan una variedad de sustancias en partículas.
Debido a su capacidad para disolver selectivamente compuestos orgánicos y ayudar al funcionamiento de las enzimas, sCO
2 ha sido sugerido como un solvente potencial para sustentar la actividad biológica en planetas tipo Venus o súper Tierra.
Productos fabricados
Los sustitutos de bajo costo y beneficiosos para el medio ambiente para el termoplástico rígido y la cerámica cocida se fabrican utilizando sCO
>2 como reactivo químico. El sCO
sub style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">2 en estos procesos reacciona con los componentes alcalinos de Cemento hidráulico completamente endurecido o yeso para formar diversos carbonatos. El subproducto principal es el agua.
sCO
2 se utiliza en la formación de espuma de polímeros. El dióxido de carbono supercrítico puede saturar el polímero con disolvente. Tras la despresurización y el calentamiento, el dióxido de carbono se expande rápidamente, provocando huecos dentro de la matriz polimérica, es decir, creando una espuma. Se están realizando investigaciones sobre espumas microcelulares.
Se promueve una carboxilación electroquímica de un cloruro de para-isobutilbencilo a ibuprofeno bajo sCO
2.
Fluido de trabajo
sCO
2 es químicamente estable, confiable y de bajo costo, no inflamable y fácilmente disponible, lo que lo convierte en un fluido de trabajo candidato deseable para ciclos transcríticos.
El CO supercrítico2 se utiliza como fluido de trabajo en bombas de calor de agua doméstica. Fabricadas y ampliamente utilizadas, las bombas de calor están disponibles para calefacción y refrigeración doméstica y comercial. Si bien algunas de las bombas de calor de agua domésticas más comunes eliminan el calor del espacio en el que se encuentran, como un sótano o un garaje, CO 2 Los calentadores de agua con bomba de calor suelen estar ubicados en el exterior, donde eliminan el calor del aire exterior.
Generación de energía
Las propiedades únicas de sCO
>2 presentan ventajas para sistemas cerrados. -generación de energía de bucle y se puede aplicar a aplicaciones de generación de energía. Los sistemas de generación de energía que utilizan ciclos tradicionales Brayton de aire y Rankine de vapor pueden usar sCO
2 para aumentar la eficiencia y la producción de energía.
El relativamente nuevo ciclo de energía Allam utiliza sCO2 como fluido de trabajo en combinación con combustible y oxígeno puro. El CO2 producido por la combustión se mezcla con el sCO2 fluido de trabajo. Se debe eliminar del proceso una cantidad correspondiente de CO2 puro (para uso industrial o secuestro). Este proceso reduce las emisiones atmosféricas a cero.
sCO2 promete mejoras sustanciales en la eficiencia. Debido a su alta densidad de fluido, sCO2 permite una turbomaquinaria compacta y eficiente. Puede utilizar diseños de cuerpo 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 basada en microcanales más compacta.
Para la energía solar concentrada, la temperatura crítica del dióxido de carbono no es lo suficientemente alta para obtener la máxima eficiencia de conversión de energía. Las plantas solares térmicas suelen estar situadas 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 de calor directo desde fuentes de alta temperatura, lo que permite temperaturas más altas del fluido de trabajo y, por lo tanto, una mayor eficiencia del ciclo. A diferencia del flujo bifásico, la naturaleza monofásica del sCO
2 elimina la necesidad de un aporte de calor para el cambio de fase que se requiere para la conversión de agua en vapor, eliminando así también la fatiga térmica y la corrosión asociadas.
El uso de sCO
>2 presenta ingeniería de corrosión, materiales Cuestiones de selección y diseño. Los materiales de 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 habituales en la generación de energía, como superaleaciones a base de níquel para componentes de turbomaquinaria y aceros inoxidables austeníticos para tuberías. Componentes dentro de sCO
2 Los bucles Brayton sufren corrosión y erosión, específicamente erosión en turbomaquinaria y componentes de intercambiadores de calor recuperativos y corrosión intergranular y picaduras en las tuberías.
Se han realizado pruebas de resistencia a la corrosión en aleaciones candidatas a base de Ni, aceros austeníticos, aceros ferríticos y cerámicas en sCO
2 ciclos. El interés en estos materiales deriva de su formación de 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 adicional de la mecánica de reacción y la cinética y los mecanismos de corrosión/erosión, ya que ninguno de los materiales cumple con los objetivos necesarios. .
En 2016, General Electric anunció una turbina basada en sCO2que permitía una eficiencia del 50 % en la conversión de energía térmica. a la energía eléctrica. En él se calienta el CO2 a 700 °C. Requiere menos compresión y permite la transferencia de calor. Alcanza su potencia máxima en 2 minutos, mientras que las turbinas de vapor necesitan al menos 30 minutos. El prototipo generó 10 MW y tiene aproximadamente un 10% del tamaño de una turbina de vapor comparable. La planta piloto de energía eléctrica transformacional supercrítica (STEP) de 10 MW y 155 millones de dólares se completó en 2023 en San Antonio. Tiene el tamaño de un escritorio y puede alimentar alrededor de 10.000 hogares.
Otro
Se está trabajando para desarrollar un sCO
2 ciclo cerrado turbina de gas para operar a temperaturas cercanas a 550 °C. Esto tendría implicaciones para la generación térmica y nuclear de electricidad, 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 en la producción de electricidad, el impacto ambiental del aumento de la eficiencia del ciclo sería significativo.
Supercrítico CO
2 es un refrigerante natural emergente, utilizado en Nuevas soluciones bajas en carbono para bombas de calor domésticas. Supercrítico CO
2 las bombas de calor se comercializan comercialmente en Asia. Los sistemas EcoCute de Japón, desarrollados por Mayekawa, generan agua doméstica a alta temperatura con pequeños aportes de energía eléctrica al trasladar calor del entorno al sistema.
Supercrítico CO
2 se ha utilizado desde la década de 1980 para mejorar Recuperación de yacimientos petrolíferos maduros.
"Carbón limpio" Están surgiendo tecnologías que podrían combinar estos métodos de recuperación mejorada con el secuestro de carbono. Utilizando 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 turbinas de gas de ciclo combinado, CO
2 se captura, se comprime al estado supercrítico y se inyecta en un almacenamiento geológico, posiblemente en campos petroleros existentes para mejorar los rendimientos.
Supercrítico CO
2 se puede utilizar como fluido de trabajo para Generación de electricidad geotérmica tanto en sistemas geotérmicos mejorados como en sistemas geotérmicos sedimentarios (los llamados CO
2 Penacho geotérmico). Los sistemas EGS utilizan un yacimiento fracturado artificialmente en la roca del basamento, mientras que los sistemas CPG utilizan yacimientos sedimentarios menos profundos y naturalmente permeables. Posibles ventajas de utilizar CO
2 en un depósito geológico, en comparación con el agua , incluyen un mayor rendimiento energético resultante de su menor viscosidad, mejor interacción química y CO
2 almacenamiento ya que el depósito debe llenarse con grandes masas de CO
2 . Hasta 2011, el concepto no se había probado en el campo.
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 sCO
2. Cuando el CO
sub style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">2 se vuelve supercrítico, se elimina toda la tensión superficial, lo que permite el líquido salga del aerogel y produzca poros de tamaño nanométrico.
Esterilización de materiales biomédicos
Supercrítico CO
2 es una alternativa para la esterilización térmica de productos biológicos. Materiales y dispositivos médicos con combinación del aditivo ácido peracético (PAA). Supercrítico CO
2 no esteriliza los medios porque 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.
Limpieza
Supercrítico CO
2 se utiliza en determinados procesos de limpieza industrial.
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