Convirtiendo las emisiones de carbono en rocas

En el Laboratorio de Conversiones de Energía Limpia de Penn, el investigador Peter Psarras y sus colegas están reutilizando desechos de minas industriales, almacenando carbono extraído de la atmósfera en roca recién formada.

Químico Pedro Psarras tiene buenas razones para llamarse a sí mismo una estrella del rock musical (después de todo, toca el bajo y el teclado de manera semiprofesional), pero es más probable que reivindique el estrellato del «rock» de la inclinación geológica. Juego de palabras ciertamente intencionado. “Aquí estamos convirtiendo rocas en rocas”, explica Psarras, sosteniendo un vial que contiene una sustancia blanca en polvo.

Las minas a cielo abierto como la que se ve aquí generan millones de toneladas de desechos cada año. Los investigadores del Laboratorio de Conversiones de Energía Limpia están trabajando en tecnologías que podrían convertir estos desechos en rocas que almacenan carbono, manteniendo potencialmente una cantidad sustancial de CO2 fuera de la atmósfera. Crédito de la imagen: Peter Psarras, Universidad de Pennsylvania

Lo que está mostrando en el laboratorio ese frío día de diciembre es carbonato de magnesio, el resultado de un proceso complicado pero económico y en su mayoría neutral en carbono que almacenó CO2 que había estado previamente en el aire. En este caso, se hizo a través de residuos de una mina industrial en el oeste de los Estados Unidos, enviados a la Laboratorio de conversiones de energía limpia (CECL) en el Universidad de Pennsylvania para análisis y procesamiento.

El laboratorio, financiado por el Centro Kleinman de Política Energética en el Escuela de Diseño Stuart Weitzmany el Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, se centra en técnicas de gestión de carbono como la captura de carbono y las tecnologías para expandir dichos procesos. Psarras es director interino mientras Jennifer Wilcox está de licencia para trabajar en el Departamento de Energía de la Administración Biden.

La estudiante de maestría Haarini Ramesh, el gerente del laboratorio de investigación Daniel Nothaft y Peter Psarras, director interino de CECL, muestran las diferentes etapas por las que pasan estos materiales en el proceso del laboratorio para reutilizar y almacenar los desechos de la mina. Crédito de la imagen: Universidad de Pensilvania

Este equipo ve un gran potencial ambiental en los relaves de la mina, la arena y los lodos que quedan después de que se extrae el mineral buscado. Con muestras en el laboratorio, están tratando de determinar cuánto calcio y magnesio contiene cada uno, cómo carbonatarlo mejor con CO2, cómo y dónde pueden almacenar el resultado y si el proceso es escalable.

Hasta ahora, se han asociado con cinco minas, pero hay mucho más material por ahí; Estados Unidos genera suficientes relaves mineros en un año para llenar 38 millones de piscinas olímpicas.

La inmensidad de las minas

Sin viajar físicamente a una de estas minas a cielo abierto, es difícil imaginar su tamaño. “Son absolutamente enormes, vastos”, dice Katherine Vaz Gomes, estudiante de doctorado de tercer año en el CECL. «Es realmente el lugar donde la industria se encuentra con la Tierra, literal y figurativamente». Imagina un agujero en el suelo 10 o 20 veces más grande que un estadio de fútbol, ​​agrega Psarras.

Él y Gomes dicen que experimentar una mina en producción involucra los sentidos de formas inesperadas. La perspectiva está sesgada; camiones de transporte de rocas con ruedas que se elevan sobre la cabeza de cualquier persona aparecen como puntos en el horizonte. En la planta, el nivel de ruido solo permite la comunicación a gritos.

Gomes dice que todo huele a polvo, incluso a través del equipo de protección requerido en las minas. “Uno no cree que el polvo tenga olor, pero en realidad es acre”, dice ella. “Tus zapatos también se cubren con él”.

Aunque estas operaciones mineras han descubierto cómo simplificar algo bastante complejo, el proceso aún produce una cantidad significativa de material sobrante, con grandes secciones de formaciones rocosas que finalmente se denominan desechos.

Dichos relaves mineros, también conocidos como material de ganga, se almacenan por separado de la producción minera, a veces a una distancia de hasta una milla. Pueden mezclarse con agua y convertirse en una lechada de lodo, luego moverse a través de una tubería grande y almacenarse en una piscina gigante, o pueden ser arrojados y transportados por una cinta transportadora masiva.

“Imagínese excavar una montaña y luego construir básicamente una nueva montaña entera de solo desechos cerca”, dice Psarras. “Estamos tratando de aprovechar la montaña movida que ha sido reubicada”. Al igual que las minas mismas, la escala aquí es inmensa, cientos de pies de profundidad para recibir algo así como un millón de toneladas de desechos cada mes durante la vida útil de la mina.

Psarras dice que es fácil sentirse abrumado por las minas y asombrado por las personas que las dirigen. “Tienen todo muy bien afinado”, dice. “Siempre vuelvo al laboratorio inspirado, pero también con el entendimiento de que no podemos complicar su proceso cuando introducimos otro elemento de complejidad con nuestra tecnología”.

De basura a tesoro

En octubre de este año, el Laboratorio de Conversiones de Energía Limpia se mudó al Edificio del Laboratorio de Pennovation, un espacio relativamente nuevo en Trabajos de Pennovación.

Menos de seis semanas después, varios cajones en la trastienda ya estaban llenos con docenas de viales de diferentes tamaños que contenían una clase de minerales llamados silicatos, así como también carbonato de calcio y carbonato de magnesio. Dos baldes, cada uno con cinco galones de relaves mineros, se encuentran en el piso cercano, esperando ser procesados.

Un puñado de cajas permanecen empacadas en la habitación de al lado, esparcidas entre cinco filas de mesas de laboratorio que contienen vasos de precipitados, matraces y otros equipos listos para usar. Psarras, junto con Haarini Ramesh, estudiante de maestría en Ingeniería Química y Biomoleculary el gerente del laboratorio de investigación de CECL, Daniel Nothaft, describen la ciencia que sucede allí y la tecnología que están creando.

Al más alto nivel, estos investigadores están conduciendo el material desde su punto de partida, la roca en la mina, hasta una sustancia similar a la arena, luego a una solución y de regreso a la roca. Muchos pasos intrincados intermedios comienzan examinando el material original.

“Cuando recibimos los relaves, primero analizamos un par de cosas. Buscamos carbono inorgánico, entonces, ¿los relaves eliminan CO2 del aire de forma natural? No esperamos que eso suceda, pero queremos una línea base de qué carbono ya había allí”, explica Psarras.

También verifican el tamaño de la roca, para determinar si tendrán que triturarla hasta las partículas diminutas que necesitan, y analizan su composición química, buscando calcio y magnesio, lo más importante, pero también otros metales más escasos como litio, cobalto, y níquel.

Aquí, el calcio y el magnesio son los más importantes porque el proceso requiere alcalinidad, que neutraliza el carbono ácido en una reacción que almacena CO2 en forma mineral. Debido a que la diversidad mineral de los relaves cambia según el sitio, este es un conjunto de pasos cruciales en el proceso. «Después de que respondamos las preguntas de composición y extracción», dice Gomes, «necesitamos descubrir cómo carbonatarlo».

La mayoría de la gente entiende la carbonatación en relación con las bebidas gaseosas; agregue dióxido de carbono al agua y se convierte en agua mineral. En este proceso, el equipo de Psarras agrega CO2 a un recipiente presurizado que contiene el líquido rico en calcio o magnesio que crearon en el paso anterior. Ese recipiente luego entra en una máquina que calienta y mezcla lo que hay dentro.

Gomes lo describe de forma sencilla: “El producto medio es una solución. Usted bombea CO2. Cuando agregas el gas a la solución, obtienes un sólido”. Más allá de mantener el carbono fuera de la atmósfera, esa roca de almacenamiento de carbono recién formada tiene muchas aplicaciones potenciales.

Beneficios de la carbonatación mineral

A Psarras siempre le ha disgustado el argumento en los círculos energéticos de que la solución al problema del carbono debe implicar reutilizar el CO2 o almacenarlo. Él y sus colegas de Penn creen que este trabajo de relaves mineros representa una tercera opción, una que reutiliza y almacena carbono de una manera económica y casi neutra en carbono.

“Estamos creando minerales que tienen mucho uso en la actualidad”, dice Psarras. Por ejemplo, el carbonato puede incorporarse al papel como material de relleno o a los materiales de construcción al reemplazar la grava en el concreto. “Otro beneficio de las reacciones de carbonatación mineral es que liberan energía”, agrega Daniel Nothaft, quien obtuvo un Ph.D. en geología antes de unirse a CECL en enero de 2021.

“Si bien en la práctica, se necesita un aporte de energía para acelerar las reacciones, la energía es más favorable que otras vías de utilización de CO2, como la conversión de CO2 en combustibles”.

Encontrar una segunda vida para estos desechos también puede ayudar a las minas, que a menudo deben descubrir cómo restaurar los vertederos anteriores. “Este proceso tiene mucho potencial porque se trata de usar desechos para remediar otros desechos”, dice Gomes. Y dado que este problema no es exclusivo de los Estados Unidos, agrega, podría ser una forma de tratar los relaves mineros a nivel mundial.

Además, es un proceso casi libre de carbono. Por supuesto, los pasos para hacerlo requieren energía, pero en su mayor parte, la huella de carbono general se asigna a la minería en sí, no a los desechos que genera.

“Viene casi sin carbono, fuera del trabajo incremental para procesarlo, lo que representaría centavos de dólar en comparación con lo que encontraría tratando de extraerlo fresco”, dice Psarras. Nada de esto explica el beneficio adicional del material que, sin querer, viene durante la extracción, metales de alto valor como el níquel que se pueden reutilizar y revender.

¿Se puede escalar?

La pregunta pendiente ahora es cómo escalar esto para convertirlo en lo que Psarras describe como una «fuerza disruptiva» en la industria. Después de todo, acorta algo que naturalmente llevaría miles de años a horas, y las minas que ya están involucradas en el proyecto parecen dispuestas a analizar sus muestras y mostrarle el lugar al equipo de CECL. Pero Psarras admite que la tecnología todavía está a unos pasos de la capacidad de usarla en todas partes.

Una mina de Nevada está actuando como caso de prueba para ayudar a los investigadores a comprender mejor el verdadero costo de este proceso y lo que podría implicar un modelo de negocios. Con base en el análisis de relaves mineros que han realizado, los investigadores también están creando una base de datos para rastrear qué tan bien funciona su tecnología para diferentes materiales, un intento de mayor estandarización.

“Estas tecnologías eventualmente podrán abordar las necesidades críticas de minerales y las necesidades de gestión de carbono que son dos de los desafíos ambientales y tecnológicos más apremiantes de nuestro tiempo”, dice Nothaft. “Eso es definitivamente lo que me motiva a trabajar en esto”.

Es un momento emocionante para trabajar en el espacio de captura de carbono, agrega Psarras. Supone que su tecnología podría estar lista para escalar en los próximos dos años y, con los socios adecuados, dice que este trabajo podría eventualmente eliminar millones de toneladas de CO2 de la atmósfera. Si eso llegara a suceder, estas rocas que almacenan carbono serán estrellas en la lucha contra el calentamiento del planeta, respaldadas por el equipo de investigación que las creó.

Fuente: Universidad de Pennsylvania

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