Separación de oxígeno del aire mediante ciclos solares termoquímicos
Autor: Alfonso Vidal, Centro Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)
El oxígeno es el segundo gas producido en el mundo con una cuota del 30% del mercado de gases industriales. Tiene importantes aplicaciones en la industria metalúrgica, la síntesis química, fabricación de vidrio, industria papelera, la recuperación y el refinado del petróleo y los servicios sanitarios.
Industrialmente, el O2 puede separarse del aire mediante adsorción por oscilación de presión (PSA) utilizando zeolitas y tamices moleculares de carbono, mediante membranas cerámicas de conducción iónica-electrónica mixta (MIEC), y mediante destilación criogénica. Sin embargo, estas tecnologías de separación de oxígeno requieren un aporte de energía eléctrica que oscila entre 100 y 350 kWh por tonelada métrica de O2 lo que penaliza las eficiencias.
Los ciclos solares termoquímicos de separación de aire usando óxidos metálicos (Chemical Looping Air Separation, CLAS), son una alternativa renovable a los procesos criogénicos convencionales de absorción de aire y de oscilación de presión, que pueden mitigar las importantes emisiones de gases de efecto invernadero de la producción industrial del gas.
Los portadores de oxígeno a partir de óxidos metálicos, como los basados en Cu, Co, y Mn han sido los más estudiados hasta el momento para este tipo de procesos (Fig. 1), pero actualmente se están investigando otros portadores de oxígeno como los óxidos de perovskita.
Figura 1. Esquema de funcionamiento de un ciclo de separación de O2.
Para una perovskita, la etapa (derecha) sería la reducción térmica y liberación de O2 mediante radiación solar concentrada y la etapa (izquierda), la re-oxidación con aire para absorber O2 y producir N2 de alta pureza.
Una de las estrategias más eficaces para mejorar las propiedades termodinámicas y el rendimiento redox de los óxidos de perovskita es la sustitución de los cationes A o B, en los óxidos de perovskita, por otros elementos metálicos de transición, lo que permita ajustar sus propiedades a las condiciones óptimas del proceso.
Actualmente, el CIEMAT está trabajando en el desarrollo de materiales tipo perovskita de la familia LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ (LSCF), los cuales han demostrado su elevada capacidad de intercambio de oxígeno y que aparece como materiales potencialmente atractivos para la separación solar-térmica del aire debido a su significativa actividad de reducción-oxidación (redox).
La inclusión de óxidos metálicos mixtos amplía significativamente el espacio de diseño de materiales para portadores de oxígeno, aumentando así la probabilidad de encontrar portadores de oxígeno mejorados en términos de actividad, ciclabilidad, resistencia mecánica y coste.
Contacto
Alfonso Vidal, Investigador del grupo CIEMAT-ATYCOS del Programa ACES2030-CM.
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.
