Desarrollo de Nanomateriales para el geo-almacenamiento de CO2 en yacimientos someros

Abstract

El proceso de captura y almacenamiento de carbono (CCS por sus siglas en inglés) ha sido propuesto como un método efectivo para la reducción de las emisiones de CO2 provenientes de la industria, pero su implementación a nivel industrial no ha sido exitosa debido a consideraciones técnico-económicas asociadas a dos etapas principales: 1) Separación inicial del CO2 de los gases de combustión y 2) Inyección del CO2 en depósitos geológicos profundos, más de 300 m, en donde el CO2. A estas condiciones el CO2 se encuentra en condiciones supercríticas y su almacenamiento se debe principalmente al llenado de la estructura porosa del yacimiento. Este trabajo propone por primera vez en el mundo, un proceso mejorado de captura y almacenamiento de carbono, e-CCS, en el cual la etapa inicial de captura/separación de CO2 es suprimida y los gases de combustión son inyectados directamente al yacimiento superficial (<300 m). En este caso, el proceso de selectiva adsorción controla la captura in-situ de CO2 gaseoso y su almacenamiento. Para esto, es indispensable modificar la superficie de yacimiento con el fin de incrementar la capacidad de adsorción y la selectividad del CO2. Adicional a esto, el agente modificante no debe obstruir la estructura porosa natural del yacimiento con el fin de evitar problemas operacionales. En este sentido, la nanotecnología, por primera vez en el mundo, podría ser usada como agente modificador de la superficie del yacimiento, debido a ventajas relacionadas con la síntesis a medida, obteniendo materiales con características fisicoquímicas específicas al proceso de adsorción selectiva; Además, su tamaño nanométrico permite su uso sin obstrucción del medio poroso del yacimiento. En este trabajo fueron sintetizadas y caracterizadas diversas nanoestructuras. Luego, arenisca tipo Ottawa y arenisca de yacimientos reales de crudo, fueron impregnadas con nanofluidos compuestos por nanomateriales dispersos en agua desionizada. El desempeño de estos sistemas en el proceso de adsorción fue evaluado a diferentes condiciones de temperatura (0, 25 and 50 ° C) y presión (3 × 10-3 MPa a 3.0 MPa), tratando de simular las condiciones de un yacimiento. Para los mejores nanomateriales el sistema fue modelado y simulado a diferentes condiciones de presión y concentraciones de CO2-N2, por medio de la Teoría de la Solución Ideal Adsorbida (IAST por sus siglas en inglés), usando datos experimentales obtenidos y el software libre PyIAST. Los resultados obtenidos son prometedores y competitivos en comparación con los reportado en la literatura, además en la aplicación se obtienen incrementos de más de 60000% en la capacidad de adsorción de CO2 con concentraciones de 20% en masa de nanomaterial.

The implementation of carbon capture and storage process (CCS) has been proposed as an effective method to reduce anthropogenic CO2 emissions from industry. However, its implementation has been unsuccessful to date, mainly due to the technical issues and high costs associated with two main stages: 1) CO2 separation from flue gas and 2) CO2 injection in deep geological deposits, more than 300 m. At these conditions, CO2 is in supercritical conditions, and CO2 capture and storage are mainly due to the inter-particle volume filling. This study proposes, for the first time, an enhanced CCS process (e-CCS), in which the stage of CO2 separation is removed, and the flue gas is injected directly in shallow reservoirs located at less than 300 m deep. In e-CCS, the adsorptive phenomena control gaseous CO2 capture and storage in situ. For this, it is necessary to add a surface modifying agent to the porous medium to improve the selective adsorption capacity to CO2. Besides, the modifying agent should not affect the naturally porous structure of the deposit to avoid operational problems. In this way, nanotechnology, for the first time for a CCS process, could be used as modifying media due to their characteristics can be customized, obtaining specific chemical-physical properties for the selective adsorption process. Also, the nanometric size allows its application in geological deposits. In this work, different nanostructures were synthesized and characterized. After that, Ottawa sandstone and real oilfield sandstone were impregnated with nanofluids, which are composed of deionized water and dispersed nanoparticles. The CO2 adsorption performance of nanomaterials was evaluated at different conditions of temperature (0, 25, and 50 ° C) and pressure (3 × 10-3 MPa to 3.0 MPa) to mimic the reservoir conditions. For the best nanomaterials, the adsorption process at reservoir condition was also modeled and evaluated at different mixing and pressure conditions, through the Ideal Adsorbed Solution Theory-IAST, using experimental information obtained. Each stage was carried out under conditions similar to the real operation in case of a possible application. The obtained results for each material are promising and competitive with those reported in the literature, obtaining increments of more than 60000% at 20% of nanomaterials mass fraction.