Envejecimiento mejorado - Enhanced weathering

La meteorización mejorada o la meteorización acelerada se refieren a enfoques de geoingeniería destinados a eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera mediante el uso de minerales específicos naturales o creados artificialmente que absorben el dióxido de carbono y lo transforman en otras sustancias a través de reacciones químicas que ocurren en presencia de agua (por ejemplo, en la forma de lluvia , agua subterránea o agua de mar ).

Investigación intemperie mejorada considera procesos cómo naturales de rocas y minerales intemperie (en particular la erosión química) pueden ser mejoradas para secuestrar CO 2 de la atmósfera para ser almacenados en forma de otra sustancia en minerales de carbonato sólidos o alcalinidad océano. Dado que el dióxido de carbono generalmente se elimina primero del agua del océano, estos enfoques atacarían el problema reduciendo primero la acidificación del océano .

Esta técnica requiere la extracción o producción de grandes cantidades de materiales, triturándolos y esparciéndolos en grandes áreas (por ejemplo, campos o playas ); Además de extraer minerales con el propósito de mejorar la meteorización, también se pueden utilizar minerales de silicato industriales alcalinos (como escorias de acero, desechos de construcción y demolición, cenizas de la incineración de biomasa). En un análisis tecnoeconómico de 2020, el costo de utilizar este método en tierras de cultivo se estimó en US $ 80-180 por tonelada de CO
2
. Esto es comparable con otros métodos para eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera actualmente disponibles (BECCS (US $ 100-200 por tonelada de CO
2
) - Bioenergía con captura y almacenamiento de carbono ) y captura y almacenamiento de aire directo en el despliegue a gran escala e insumos de energía de bajo costo (US $ 100-300 por tonelada de CO
2
). En contraste, el costo de la reforestación se estimó en menos de US $ 100 por tonelada de CO
2
. Tiene el efecto secundario de alterar la salinidad natural de los mares.

Historia

El enfoque es en gran parte teórico. Se ha propuesto para el secuestro terrestre y oceánico . El Proyecto Vesta, una organización sin fines de lucro, está probando métodos oceánicos para ver si es una estrategia de secuestro de carbono viable desde el punto de vista ambiental y económico.

En julio de 2020, un grupo de científicos evaluó que la técnica de geoingeniería de meteorización mejorada de las rocas (esparcir basalto finamente triturado en los campos) tiene un uso potencial para la eliminación de dióxido de carbono por parte de las naciones, identificando costos, oportunidades y desafíos de ingeniería.

Mecanismo de acidificación de los océanos y meteorización de minerales naturales

Piedra rota por las heladas en el camino de la montaña hasta la lengua del glaciar Morteratsch .
Papel del carbonato en el intercambio marítimo de dióxido de carbono.

La meteorización es el proceso natural en el que las rocas y los minerales se descomponen y disuelven en la superficie terrestre debido a la acción del agua, el hielo, los ácidos, las sales, las plantas, los animales y los cambios de temperatura. Se distingue entre meteorización mecánica (o meteorización física o desagregación) y meteorización química (que transforma la naturaleza química de las rocas). La meteorización biológica es una forma de meteorización (mecánica y / o química) debida a la acción de plantas, hongos u otros organismos vivos.

La meteorización química puede ocurrir con diferentes mecanismos, dependiendo principalmente de la naturaleza del mineral involucrado: solución, hidratación, hidrólisis y oxidación. La meteorización por carbonatación es un tipo particular de meteorización por solución.

Los minerales de carbonato y silicato son ejemplos de minerales afectados por la meteorización por carbonatación. Cuando los minerales de silicato o carbonato se exponen al agua de lluvia o al agua subterránea, se disuelven lentamente debido a la meteorización química asociada con la reacción de carbonatación, es decir, la combinación del agua (H 2 O) y el dióxido de carbono (CO 2 ) presentes en la atmósfera para formar ácido carbónico (H 2 CO 3 ):

H 2 O + CO 2 → H 2 CO 3

En consecuencia, el ácido carbónico ataca al mineral para formar iones de carbonato en solución con el agua sin reaccionar. Debido a estas dos reacciones químicas (carbonatación y disolución), el mineral, el agua y el dióxido de carbono se combinan alterando la composición química de los minerales y disminuyendo la presencia de CO 2 en la atmósfera.

En particular, la forsterita (un mineral de silicato) se disuelve mediante la reacción:

Mg 2 SiO 4 (s) + 4H 2 CO 3 (ac) → 2Mg 2+ (ac) + 4HCO 3 - (ac) + H 4 SiO 4 (ac)

Donde "(s)" indica una sustancia en estado sólido y "(aq)" indica una sustancia en una solución acuosa .

En cambio, la calcita (un mineral de carbonato) se disuelve a través de la reacción:

CaCO 3 (s) + H 2 CO 3 (aq) → Ca 2+ (aq) + 2HCO 3 - (aq)

El agua con iones de bicarbonato disueltos (HCO 3 - ) finalmente termina en el océano, donde los iones de bicarbonato forman minerales de carbonato al calcificar los organismos a través de la reacción:

Ca 2+ + 2HCO 3 - → CaCO 3 + CO 2 + H 2 O

Los minerales de carbonato finalmente se hunden desde la superficie del océano hasta el fondo del océano. La mayor parte del carbonato se redisuelve en las profundidades del océano a medida que se hunde.

Durante períodos de tiempo geológico , se cree que estos procesos estabilizan el clima de la Tierra . De hecho, la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera como gas (CO 2 ) con respecto a la cantidad de dióxido de carbono convertido en carbonato está regulada por un equilibrio químico : en caso de un cambio de este estado de equilibrio, se toma teóricamente (eso significa si no ocurre otra alteración durante el tiempo) miles de años para establecer un nuevo estado de equilibrio.

Para la meteorización por silicatos, el efecto neto teórico de disolución y precipitación es 1 mol de CO 2 secuestrado por cada mol de Ca 2+ o Mg 2+ erosionado del mineral. Dado que algunos de los cationes disueltos reaccionan con la alcalinidad existente en la solución para formar iones CO 3 2− , la relación no es exactamente 1: 1 en los sistemas naturales, sino que es función de la temperatura y la presión parcial del CO 2 . La red de CO 2 secuestro de reacción meteorización carbonato y reacción de precipitación de carbonato es cero.

Retroalimentaciones del ciclo de silicato de carbono.

Se cree que la meteorización y la precipitación biológica de carbonatos se acoplan sólo débilmente en períodos cortos de tiempo (<1000 años). Por lo tanto, un aumento en la meteorización tanto de carbonatos como de silicatos con respecto a la precipitación de carbonatos resultará en una acumulación de alcalinidad en el océano.

Meteorización mejorada terrestre

La meteorización mejorada se utilizó inicialmente para referirse específicamente a la propagación de minerales de silicato triturados en la superficie de la tierra. Se ha demostrado que la actividad biológica en los suelos promueve la disolución de los minerales de silicato (ver discusión en), pero aún existe incertidumbre acerca de la rapidez con la que esto puede suceder. Como la tasa de meteorización es una función de la saturación del mineral que se disuelve en la solución (disminuyendo a cero en soluciones completamente saturadas), algunos han sugerido que la cantidad de lluvia puede limitar la meteorización mejorada terrestre, aunque otros sugieren que la formación de minerales secundarios o la absorción biológica pueden suprimir saturación y promover la meteorización.

La cantidad de energía que se requiere para la trituración depende de la velocidad a la que se disuelven los minerales (se requiere menos trituración para una rápida disolución del mineral). Un trabajo reciente ha sugerido un amplio rango en el costo potencial de la meteorización mejorada en gran parte debido a la incertidumbre que rodea a las tasas de disolución de minerales.

Meteorización oceánica mejorada

Para superar las limitaciones de la saturación de la solución y utilizar la trituración natural de las partículas de arena a partir de la energía de las olas, se pueden aplicar minerales de silicato a los ambientes costeros, aunque el pH más alto del agua de mar puede disminuir sustancialmente la velocidad de disolución, y no está claro cuánta trituración se produce. posible a partir de la acción de las olas.

Alternativamente, se ha investigado la aplicación directa de minerales de carbonato a las regiones de pozos ascendentes del océano. Los minerales de carbonato están sobresaturados en la superficie del océano, pero están subaturados en las profundidades del océano. En áreas de pozos ascendentes, esta agua insaturada se lleva a la superficie. Si bien es probable que esta tecnología sea barata, el potencial máximo anual de secuestro de CO 2 es limitado.

Transformar los minerales de carbonato en óxidos y esparcir este material en el océano abierto ('Ocean Liming') se ha propuesto como una tecnología alternativa. Aquí, el mineral de carbonato (CaCO 3 ) se transforma en cal (CaO) mediante calcinación . Los requisitos energéticos de esta tecnología son sustanciales.

Carbonatación mineral

La disolución y carbonatación mejoradas de los silicatos ( "carbonatación mineral" ) fue propuesta por primera vez por Seifritz y desarrollada inicialmente por Lackner et al. y además por el Centro de Investigación de Albany . Esta primera investigación investigó la carbonatación de silicatos extraídos y triturados a temperaturas elevadas (~ 180 ° C) y presiones parciales de CO 2 (~ 15 MPa) dentro de reactores controlados ("carbonatación mineral ex situ"). Algunas investigaciones exploran el potencial de la "carbonatación mineral in situ" en la que el CO 2 se inyecta en formaciones rocosas de silicato para promover la formación de carbonatos bajo tierra (ver: CarbFix ).

La investigación sobre carbonatación mineral se ha centrado en gran medida en el secuestro de CO 2 de los gases de combustión . Podría utilizarse para geoingeniería si la fuente de CO 2 se deriva de la atmósfera, por ejemplo, mediante captura directa de aire o biomasa-CAC .

Disolución electrolítica de minerales de silicato.

Donde hay abundante electricidad excedente disponible, se ha propuesto y demostrado experimentalmente la disolución electrolítica de minerales de silicato. El proceso se asemeja al desgaste de algunos minerales. Además, el hidrógeno producido aquí sería un carbono negativo.

Ver también

Referencias