Hispanopedia WikiLa eliminación del metano atmosférico es una categoría de enfoques potenciales que se están investigando para acelerar la descomposición del metano que está en la atmósfera, para mitigar algunos de los impactos del cambio climático . [ 1 ] El metano atmosférico ha aumentado desde los tiempos preindustriales de 0,7 ppm a 1,9 ppm, más del doble de su concentración. [ 2 ] El aumento de metano debido a la industrialización está vinculado a la falla de los sumideros naturales de metano para acomodar el aumento de metano debido a las actividades antropogénicas. [ 2 ] De 2010 a 2019, las emisiones de metano causaron 0,5 °C (alrededor del 30 %) del calentamiento global observado . Las emisiones globales de metano se acercaron a un récord de 600 Tg CH 4 por año en 2017. [ 3 ] El metano es un potente gas de efecto invernadero con una vida útil de hasta 12 años. Con la capacidad de experimentar reacciones que convierten el metano en dióxido de carbono que tiene una vida útil de cientos de miles de años, el metano es un gas de efecto invernadero impactante. El metano atmosférico es un gas de efecto invernadero más potente que el dióxido de carbono, con un potencial de calentamiento global 34 veces mayor en un período de 34 años y 86 veces mayor en un período de 20 años. [ 4 ] Dado que el metano es un gas de efecto invernadero más potente, eliminar cantidades menores de metano atmosférico en comparación con el dióxido de carbono de la atmósfera daría como resultado un impacto climático similar. [ 4 ] Con niveles de fondo de dióxido de carbono atmosférico de aproximadamente 420 ppm y niveles de fondo de metano atmosférico de aproximadamente 1,92 ppm, concentraciones más bajas de metano dan como resultado un aumento en la dificultad de captura de metano en comparación con el dióxido de carbono. [ 2 ] [ 4 ] [ 1 ] Junto con la escasez de metano en la atmósfera, la estabilidad del metano y las condiciones atmosféricas en términos de termodinámica, cinética y transferencia de masa son factores que contribuyen en gran medida a la dificultad de eliminación. [ 2 ] La eliminación de dióxido de carbono de la atmósfera ha demostrado ser impactante en términos de esfuerzos de mitigación de gases de efecto invernadero, con diversos esfuerzos de investigación y una base tecnológica. [ 4 ]
Se han estudiado numerosos métodos de eliminación de metano atmosférico, incluyendo fotocatalizadores y catalizadores metálicos asociados con zeolitas y redes de polímeros porosos. [ 4 ] [ 5 ] Los métodos de eliminación de metano de base biológica que se han estudiado incluyen la formación de aerosoles de sales de hierro, enfoques industriales y enfoques para el manejo de suelos en diversos ecosistemas. [ 4 ] [ 5 ] Muchos de los métodos de eliminación de metano implican química de oxidación, como la oxidación termocatalítica, fotocatalítica y biológica. [ 1 ] Los lugares objetivo para la destrucción de metano incluyen aire ambiente, aire enriquecido con metano, aire con alto contenido de metano, aire con muy alto contenido de metano y aire cercano a la explosión. [ 1 ] Las descripciones de estos objetivos y sus respectivas proporciones de mezcla atmosférica se pueden ver en la tabla 1 con la información proporcionada en Nisbet-Jones. [ 1 ]
Tabla 1: Esta tabla reproduce directamente la información de Nisbet-Jones, que proporciona información sobre diferentes objetivos para la detección de metano y las proporciones de mezcla respectivas y los ejemplos enumerados en el artículo de opinión. [ 1 ]
Para eliminar el metano de la atmósfera, se requiere energía que probablemente implique la emisión de gases de efecto invernadero. [ 1 ] Esto hace que algunas formas de eliminación de metano de origen antropogénico sean potencialmente menos productivas y más dañinas que dejar el metano en la atmósfera. [ 1 ] Independientemente de los posibles impactos ambientales, los costos frente a los beneficios y otros factores relevantes, en este artículo se analizarán exhaustivamente todos los métodos de eliminación de metano atmosférico, incluyendo información relacionada con la eliminación de metano atmosférico.
La eliminación de metano atmosférico se considera generalmente una estrategia suplementaria de mitigación del cambio climático en lugar de una solución primaria, ya que la reducción de emisiones en la fuente suele ser más efectiva, menos intensiva en energía y de menor costo. Las emisiones de sectores como los sistemas de gas, la agricultura y la gestión de residuos pueden reducirse mediante tecnologías existentes como: detección y reparación de fugas, gestión mejorada del estiércol y captura de gas de vertedero. Estos métodos se han identificado como rentables. [ 6 ] [ 7 ] [ 4 ] La baja concentración de metano atmosférico (aproximadamente 1,9 ppm) significa que se necesitan procesar grandes volúmenes de aire para lograr una eliminación medible, lo que puede correlacionarse con mayores requisitos de energía e infraestructura. [ 4 ] [ 2 ] Los análisis de costos marginales de mitigación generalmente muestran que las medidas de mitigación de metano son acciones climáticas de menor costo, mientras que las tecnologías de eliminación de metano atmosférico se encuentran en etapas tempranas de desarrollo. Esto puede correlacionarse con mayores costos proyectados e incertidumbres. [ 4 ] [ 8 ] La investigación actual a menudo se centra en la reducción de emisiones, considerando la eliminación de metano como una aplicación suplementaria.
La eliminación de metano desempeña un papel importante en el tratamiento de las emisiones residuales difíciles de eliminar y en la reducción del metano acumulado en la atmósfera. El metano tiene una vida útil atmosférica de aproximadamente 10 a 12 años, por lo que reducir su concentración puede generar beneficios climáticos relativamente rápidos en comparación con la mitigación del dióxido de carbono. [ 8 ] [ 4 ] El despliegue a gran escala de tecnologías de eliminación de metano enfrenta muchos desafíos importantes relacionados con la escalabilidad, el monitoreo y los impactos ambientales. Los sistemas diseñados están limitados por muchos factores, como el volumen de aire que se puede procesar, la eficiencia del catalizador y los requisitos energéticos generales. Además, los enfoques atmosféricos, incluida la oxidación, pueden introducir efectos químicos no deseados, como cambios en los niveles de ozono y la calidad del aire. [ 9 ] [ 2 ] Medir y verificar con precisión la eliminación de metano a escala atmosférica sigue siendo difícil debido a la variabilidad natural y la naturaleza difusa de las fuentes y sumideros de metano. [ 2 ] Estos factores contribuyen a la investigación en curso sobre la viabilidad a largo plazo y el papel óptimo de la eliminación de metano atmosférico dentro de estrategias más amplias de mitigación del cambio climático.
Sumideros naturales de metano atmosférico
El metano tiene una vida útil atmosférica limitada de aproximadamente 10 años debido a importantes sumideros de metano . [ 1 ] El principal sumidero de metano es la oxidación atmosférica, a partir de radicales hidroxilo (OH) (~90% del sumidero total) y radicales cloro (0-5% del sumidero total). El resto es consumido por metanótrofos y otras bacterias y arqueas oxidantes de metano en los suelos (~5%). [ 8 ] Las reacciones químicas en la atmósfera, como las reacciones troposféricas, las reacciones estratosféricas y la absorción del suelo, demuestran ser sumideros eficientes de metano, lo que resulta en una pérdida permanente. [ 8 ]
Reacciones troposféricas y estratosféricas
Reacciones troposféricas
Las reacciones troposféricas que actúan como sumideros atmosféricos naturales de metano están gobernadas principalmente por átomos de halógeno que oxidan el metano. El cloro atómico (Cl) es un halógeno que contribuye ampliamente, especialmente cuando hay alta actividad debido a la variación estacional que ocurre en la capa límite. [ 8 ] El cloruro de sodio (NaCl) en regiones costeras y marinas se evapora de las gotas de agua de mar después de reaccionar con el dióxido de nitrógeno (NO 2 ) para formar cloro diatómico (Cl 2 ), que sufre reacciones fotolíticas para producir cloro atómico. [ 8 ] Los radicales de cloro atómico son altamente reactivos y tienen la capacidad de interactuar con el metano de tal manera que destruyen el compuesto.
Reacciones estratosféricas
El metano se pierde en la atmósfera por reacciones con oxígeno atómico excitado (O('D)), Cl, flúor atómico (F) y OH. [ 8 ] Se supone que de la oxidación en la estratosfera, entre el 20 % y el 35 % se debe a halones, el 25 % a O('D) en la alta estratosfera y el resto a OH estratosférico. [ 8 ]
Absorción del suelo
La absorción de metano en suelos oxigenados no saturados se debe a la presencia de bacterias metanotróficas, que consumen metano como fuente de energía. [ 8 ] Un modelo utilizado para estudiar la absorción de metano en suelos arrojó una absorción de aproximadamente 32 teragramos por año. [ 8 ] La absorción de metano en suelos también se ve afectada por mecanismos adicionales como la difusión acuosa y el transporte mediado por plantas. [ 8 ]
Enfoques potenciales
Entre los distintos métodos para eliminar el metano de la atmósfera se incluyen la oxidación termocatalítica, la oxidación fotocatalítica, la eliminación biológica metanotrófica del metano, la concentración con zeolitas u otros sólidos porosos y la separación mediante membranas. Los métodos potenciales pueden clasificarse según el proceso catalítico subyacente o la forma de implementación prevista.
Oxidación mejorada del metano atmosférico
La oxidación mejorada del metano atmosférico consiste en aumentar la capacidad de eliminación oxidativa del metano en la atmósfera mediante la generación de radicales OH o Cl adicionales . Los métodos de oxidación mejorada del metano atmosférico engloban la mayoría de las técnicas de eliminación de metano atmosférico.
aerosoles de sales de hierro
Los aerosoles de sales de hierro (ISA) son un método propuesto para mejorar la oxidación atmosférica del metano, que consiste en elevar partículas a base de hierro a la atmósfera (por ejemplo, desde aviones o barcos) para potenciar los radicales de cloro atmosféricos, un sumidero natural de metano . [ 5 ] Los vientos sobre el Sahara levantan polvo a la troposfera y lo dispersan sobre el Atlántico, aportando a la atmósfera material particulado compuesto por partículas a base de hierro. Un estudio realizado en 2023 sugiere que esto ha contribuido a la oxidación natural del metano atmosférico. Este método aún no se ha probado en condiciones reales, pero se han realizado diversos estudios de investigación sobre los ISA. Se han llevado a cabo métodos de investigación mediante experimentos de laboratorio, análisis observacionales y modelado numérico para evaluar el impacto potencial de los ISA. [ 5 ]
Se están estudiando los ISA por el potencial del cloruro de hierro(III) (FeCl₃ ) para catalizar la producción de radicales de cloro. Los átomos de Cl se producen por fotólisis del FeCl₃ proveniente de partículas de aerosol de polvo en suspensión que contienen hierro en la capa límite oceánica .
FeCl₃ + hv → FeCl₂ + o Cl
Los átomos de Cl inician la oxidación del metano:
CH 4 + o Cl → HCl + o CH 3
El radical metilo resultante es inestable y se oxida naturalmente a CO₂ y agua:
3,5O 2 + 2 o CH 3 → 2CO 2 + 3H 2 O
Efectos secundarios del cloruro de hierro(III)
El aumento de Cl en la troposfera tiene el potencial de conducir a reducciones beneficiosas de metano en la troposfera. [ 5 ] El aumento de las concentraciones de Cl en la troposfera puede conducir adicionalmente a concentraciones reducidas de radicales OH, aumentando la vida útil de especies dañinas en la atmósfera que son perjudiciales para la salud humana. [ 5 ] Los impactos de los ISA en la estratosfera podrían potencialmente resultar en la destrucción del ozono, dañando la capa de ozono . [ 5 ] Los factores relacionados con el destino del Cl involucrado en los procesos de ISA son bastante impredecibles y requieren más investigación, ya que el Cl adicional en la atmósfera puede ser una amenaza para las comunidades costeras, la vida biológica y la acidificación de los océanos. [ 5 ] [ 1 ] [ 2 ] Finalmente, todas las partículas de cloruro de hierro(III) sufren deposición de agua y caen en tierra o agua, donde se disuelven en compuestos de hierro y sal. Al ser lavados, los aerosoles de sal de hierro también pueden contribuir a la fertilización con hierro . Las partículas finas dispersas en la atmósfera pueden servir como núcleos de condensación de nubes y, por lo tanto, provocar un aumento del brillo de las nubes marinas y cambios en el albedo de la Tierra. [ 5 ]
Hallazgos adicionales de investigaciones anteriores sobre ISA y otras fuentes sugieren más investigación sobre el impacto de ISA en la salud humana, la viabilidad y una evaluación más exhaustiva del impacto en los factores ambientales. [ 5 ] [ 1 ] [ 2 ] La gobernanza y los impactos sociales relacionados con la eliminación del metano atmosférico son esenciales para ejecutar adecuadamente las posibles soluciones. [ 5 ]
Mejora de los metanótrofos terrestres
Las bacterias y arqueas del suelo representan aproximadamente el 5% del sumidero natural de metano. Las primeras investigaciones se centran en cómo se puede mejorar la actividad de estas bacterias, ya sea mediante el uso de enmiendas del suelo o la introducción de bacterias oxidantes de metano seleccionadas o modificadas genéticamente. [ 4 ] Los microbios demuestran ser el segundo sumidero natural más grande de metano atmosférico, acumulando aproximadamente 40 teragramos de metano anualmente. [ 4 ] Las arqueas anaeróbicas y las bacterias metanótrofas aeróbicas poseen enzimas que oxidan el metano, como la metano monooxigenasa y la metil coenzima M reductasa. [ 4 ] Los estudios han respaldado la idea de que los metanótrofos pueden acoplar la oxidación anaeróbica directa del metano a la desnitrificación del nitrato (NO 3 - ). [ 4 ] Las conversiones biológicas de metano a metano son de interés en sistemas como el tratamiento de aguas residuales, donde el metanol se utiliza para mejorar las tasas de desnitrificación. [ 4 ]
Se han realizado investigaciones sobre la eliminación atmosférica de metano en suelos agrícolas, suelos no agrícolas y sustratos artificiales. Un estudio demostró que el biocarbón derivado de paja de arroz redujo las emisiones de metano de los arrozales en un 40 % en experimentos de microcosmos, y esta disminución se relacionó con una menor actividad de los metanógenos y una mayor actividad de oxidación de metano por parte de los metanótrofos. [ 4 ] En este estudio también se demostró que la adición de sulfato reducía las emisiones de metano de los arrozales, lo que sugiere otra posible vía para disminuir la producción de metano. [ 4 ]
Los biofiltros percoladores se han estudiado como método para la eliminación de metano de la atmósfera en casos de contaminación puntual. El sistema de filtración utiliza bacterias metanotróficas para oxidar el metano presente en la atmósfera. Actualmente, se utilizan biocubiertas y biofiltros con metanótrofos en algunos sitios de contaminación puntual, como vertederos pequeños y antiguos, para la mitigación del metano. [ 4 ] [ 1 ]
Sistemas catalíticos de ingeniería
Los sistemas catalíticos de ingeniería están diseñados para hacer pasar aire de la atmósfera, ya sea de forma pasiva o activa, a través de sistemas catalíticos que aprovechan la energía del sol, la luz artificial o el calor para oxidar el metano. Estos catalizadores incluyen termocatalizadores, fotocatalizadores y radicales producidos artificialmente mediante fotólisis (utilizando la luz para descomponer una molécula). [ 4 ]
Los fotocatalizadores tienen la capacidad de oxidar metano y otros hidrocarburos a través de catalizadores heterogéneos. [ 1 ] El dióxido de titanio (TiO 2 ) es un catalizador que es fotolíticamente activo cuando se expone a la radiación ultravioleta (UV) y puede catalizar la misma reacción que ocurre cuando se quema el metano" [ 1 ]
CH₄ + 2O₂ → 2H₂O + CO₂
Los materiales fotocatalíticos se utilizan para dopar pinturas superficiales con TiO₂ y óxido de zinc (ZnO). [ 2 ] Este método se ha estudiado para la oxidación de compuestos orgánicos volátiles (COV) y óxido nítrico (NO) en entornos urbanos e interiores. [ 2 ] El uso de este método no se ha estudiado ampliamente para la eliminación de metano, pero la baja eficiencia del método que implica la oxidación del metano constituye una barrera. [ 2 ] Una mayor investigación sobre las interacciones entre los materiales fotocatalíticos y el metano podría dar lugar a hallazgos significativos y de bajo costo en la eliminación de metano por oxidación. [ 2 ]
Los catalizadores metálicos incluyen zeolitas de Cu y Fe y redes poliméricas porosas que tienen la capacidad de oxidar el metano y convertirlo en metanol (CH₃OH ) , que tiene una vida útil más corta que el metano. [ 1 ] La interacción del metano con las zeolitas es más débil, ya que depende únicamente de las interacciones de Van der Waals con los átomos de oxígeno en las paredes de la red de la zeolita. [ 1 ] Los catalizadores metálicos y de otro tipo pueden depositarse o incrustarse en las redes poliméricas porosas, que se sintetizan de manera que los grupos funcionales en la cadena principal del polímero interactúen con el metano en los microporos de la red. [ 1 ]
reactores de metano
Los reactores de metano son sistemas diseñados para eliminar el metano del aire ambiente debido a su baja eficiencia y a problemas operativos relacionados con el envenenamiento y la regeneración del catalizador. [ 8 ] Los reactores de metano cuentan con una entrada de aire y un proceso de conversión de metano, lo que los convierte en un método rentable y altamente efectivo para la eliminación de metano. [ 8 ] Los catalizadores utilizan luz, calor y radicales para oxidar altas concentraciones de metano y convertirlas en productos metílicos. [ 8 ] Este método se utiliza desde la década de 1920 y ha demostrado ser eficiente. [ 8 ] En general, los reactores de metano presentan limitaciones de costo debido a su ineficiencia a bajas concentraciones de metano, lo que los hace más útiles en lugares con concentraciones elevadas. [ 8 ]
Referencias
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- Geoingeniería
- gases de efecto invernadero