Captura de CO2 por líquidos iónicos basados en imidazol y grupos fluorados. Una alternativa para disminuir emisiones de un gas de efecto invernadero.

Las emisiones antropogénicas de CO2 proceden principalmente de procesos de combustión, tales como la producción de energía a partir de combustibles fósiles. La presencia en la atmósfera de dicho gas está estrechamente relacionado con el Cambio Climático1. Por ello, el control de las emisiones de CO2 mediante su captura y almacenamiento o mediante desarrollos que minimicen su emisión es de enorme importancia medioambiental, económica y tecnológica a nivel mundial2. La concentración de CO2 en la atmósfera del planeta ha ido en aumento, pasando de un valor preindustrial de aproximadamente 408.71 ppm a 411,77 ppm, periodo comprendido entre Julio 2018 y Julio 2019. Lamentablemente el pronóstico es que tales emisiones continúen aumentando a lo largo de este siglo, principalmente porque el abastecimiento de energía primaria seguirá siendo dominado por estos combustibles hasta más allá del año 20303. Debido a las consecuencias negativas que provoca el cambio climático, muchos programas internacionales se han dedicado al desarrollo de tecnologías para la captura, transporte y almacenamiento del CO2 proveniente de corrientes gaseosas en procesos industriales. Es así como la captura de CO2 se pueden agrupar en tres grandes categorías: pre-combustión, oxi-combustión y post-combustión4, de las cuales sólo éstas últimas se adaptan convenientemente a las instalaciones industriales ya existentes.Actualmente, dentro de estas tecnologías de captura de CO2, la captura post-combustión mediante la absorción química es una de las más utilizadas comercialmente5. En este caso, se utilizan mezclas agua-amina (primaria, secundaria o terciaria), por lo general monoetanolamina o dietanolamina, donde la captura se da bajo un mecanismo de dos pasos, en donde primero se da la formación de un intermediario Zwitteriónico entre la amina y el CO2, que luego se desprotona para formar Carbamato6. No obstante, estos solventes presentan algunas desventajas tales como: alto consumo energético, corrosión, volatilidad, poca selectividad, baja captura de CO27. Es por ello, que en los últimos años algunos estudios proponen el uso de Líquidos Iónicos (LIs) como solventes.Existen referencias acerca de los LIs desde 1914, pero es en la segunda mitad del siglo XX cuando Hurley y Weir descubren que se pueden sintetizar sales que son líquidas a temperatura ambiente8. Se resalta el hecho de que, al disponer de un elevado número tanto de cationes como de aniones para diseñar los LIs, se tiene la posibilidad de realizar mediante diferentes combinaciones ¿diseños a medida¿ en función de las necesidades exigidas por las diferentes aplicaciones. Dixon y col9. sugieren que existen 1018 posibles estructuras de LIs, lo cual permite mediante la selección de sus componentes ajustar sus propiedades a la aplicación requerida. Esta singularidad de sus propiedades ha atraído la atención de muchas investigaciones en estos últimos años10.Entre las principales propiedades que poseen los LIs cabe destacar que su baja presión de vapor a temperatura y presiones moderadas los hacen altamente reciclables, esta es la principal justificación de buscar en la familia de los LIs, disolventes que puedan sustituir a los compuestos orgánicos volátiles y desarrollar unos procesos químicos más limpios y sostenibles; es decir, estos líquidos presentan diversas características que los hacen amigables ambientalmente y su uso se ha implementado dentro de la llamada Green Chemistry11. Por otro lado, debido a su naturaleza iónica y a su composición orgánica, los LIs son capaces de disolver compuesto orgánicos, inorgánicos e incluso materiales poliméricos12. Asimismo, poseen otras propiedades muy interesantes como elevada estabilidad térmica y química, amplio rango de temperaturas en estado líquido, buena solubilidad de gases como el H2, O2, CO y CO2, hidrofilicidad e hidrofobicidad, tienen una toxicidad muy pequeña, no producen corrosión y debido a las bajas pérdidas de LIs durante la recirculación, esta tecnología puede reducir el costo de la captura de CO213. Cabe también mencionar su elevada viscosidad, la cual viene regulada no sólo por las condiciones de operación, sino que en ella juegan también un papel muy importante el tipo de catión y anión forman el LI. En el caso de los aniones, cuanto mayor sea el número de interacciones débiles tipo van der Waals o puente de hidrógeno que produce, más aumenta la viscosidad. Mientras que, para los cationes, aunque su influencia es menor, cuanto mayor sea su cadena y más sustituidos se encuentren, mayor será la viscosidad. Hay que tener en cuenta que una elevada viscosidad dificultará la transferencia de materia y la dispersión de fases ya que se encuentra directamente relacionada con la difusión del gas y de forma indirecta con la solubilidad de este, condicionando su cinética de captura14.El ajuste de los componentes iónicos mediante cambios en los grupos funcionales puede alterar drásticamente las propiedades físicas de los LIs como la ya mencionada viscosidad, la conductancia eléctrica, los puntos de fusión, el coeficiente de autodifusión de solubilidad del gas, en este caso CO2, las tasas cinéticas y la energía relativa liberada. Esto presenta un problema y una ventaja: por un lado, la modelización y parametrización de LIs es una tarea que sólo puede llevarse a cabo adaptando las herramientas de simulación molecular a las interacciones químicas de un LI dado, pero una vez que esto se resuelve, la versatilidad de diseñar y modelar LIs adecuados para diferentes usos es casi ilimitada15. Esto supone un reto para los investigadores debido a la inusual complejidad de las interacciones intra e intermoleculares en los LIs y de estos con el CO2, lo que hace que la interpretación de sus propiedades fisicoquímicas no sea un trabajo sencillo.Para el entendimiento a nivel molecular de estos sistemas cobra relevancia los métodos computacionales, que en la actualidad con el avance tecnológico permiten estudiar este tipo de sistemas con la precisión de los cálculos de la Química Cuántica (Quantum Chemistry, QC) y con nuevas y variadas herramientas para determinar la formación y fortaleza de las interacciones inter e intra-moleculares a nivel nanoscópico con base en diferentes esquemas escalares de la densidad electrónica.Por lo tanto, la pregunta de investigación es ¿Se puede llegar a una comprensión molecular completa de las interacciones intra e inter-moleculares que experimenta el CO2 en los LIs, la cual permita proponer pautas para el diseño racional de LIs; lo que en un futuro ayudará a avanzar en varias tecnologías verdes que ayuden a la disminución de emisiones de CO2 mediante LIs?. De este modo, esta investigación constituye el peldaño fundamental para que en investigaciones posteriores se logre crear un Potencial o Campo de Fuerza (Force Field, FF) que sea capaz de Modelar, Simular y Predecir propiedades termofísicas relevantes tales como: densidad, viscosidad, solubilidad, tensión superficial, perfil interfacial de las especies moleculares, orientación molecular, correlación estructural y comportamiento dinámico de las especies moleculares. En el caso específico del CO2 en los LIs, es particularmente importante que las herramientas de modelización molecular se adapten para describir e interpretar el comportamiento físico-químico microscópico.