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Soluciones de análisis de gases basadas en la tecnología NDIR de Cubic para la monitorización precisa y en tiempo real de los procesos de CO2RR

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Cómo el Gasboard-3100P responde a los requisitos de análisis de gases en tiempo real y de múltiples componentes para la aplicación CO2RR

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CO2RR: una vía emergente en la utilización del carbono

La utilización del carbono se está perfilando como la próxima frontera de la descarbonización. En lugar de considerar el dióxido de carbono únicamente como una emisión que hay que reducir, las industrias exploran cada vez más formas de transformar el CO₂ capturado en combustibles y productos químicos de gran valor. Gracias a los avances en las tecnologías de electricidad renovable, catálisis y captura de carbono, la utilización del carbono está pasando de ser un tema de investigación a convertirse en una vía práctica que aborda simultáneamente las emisiones de gases de efecto invernadero y genera materias primas útiles para la industria con el fin de construir una economía circular del carbono.

En este contexto, la reducción electroquímica del CO₂ (CO₂RR) representa una de las vías que se están investigando con mayor intensidad. El proceso utiliza energía eléctrica para impulsar la reducción del CO₂ en la superficie de un catalizador, convirtiéndolo en productos químicos y combustibles valiosos (como monóxido de carbono, metano, etileno, formiato y metanol) que sirven como materias primas para la producción industrial o como vectores de energía limpia. Varias iniciativas industriales y de startups están operando actualmente sistemas de CO2RR a escala piloto, y se prevé su implantación comercial en los próximos años. A medida que se acelera esa transición, crece la demanda de tecnologías analíticas capaces de monitorizar con precisión los reactivos, los productos y la eficiencia del proceso a lo largo de la reacción.

Análisis de gases en la CO2RR: un requisito exigente pero esencial

Uno de los requisitos más críticos de la reducción electroquímica del CO₂ es un análisis de gases preciso y oportuno. A lo largo de la electrólisis, el CO₂ se consume de forma continua, mientras que se generan simultáneamente múltiples productos gaseosos. La composición de la corriente de gas puede cambiar rápidamente en función de la actividad del catalizador, las condiciones de funcionamiento y el tiempo de reacción, lo que hace que un análisis fiable de los gases sea esencial para evaluar el rendimiento del catalizador, optimizar las condiciones de reacción y facilitar la ampliación del proceso.

Sin embargo, obtener datos exhaustivos y en tiempo real sobre la composición de los gases a lo largo de todo el proceso de CO2RR sigue siendo un reto técnico. Los métodos analíticos convencionales, como la cromatografía de gases (GC), proporcionan un análisis preciso de la composición, pero suelen basarse en muestreos periódicos y mediciones fuera de línea. El retraso resultante entre la reacción y el análisis dificulta la detección de cambios dinámicos y la optimización del catalizador.

Estos retos están presentes a lo largo de todo el flujo de trabajo de la CO2RR, desde el mantenimiento de condiciones estables de los reactivos hasta el análisis de los productos de reacción y la monitorización de los cambios dinámicos del proceso:
• Garantizar condiciones constantes de alimentación de CO₂: Una evaluación fiable de la CO2RR requiere condiciones de alimentación de CO₂ estables y constantes. La monitorización continua de la concentración de CO₂ en la entrada ayuda a verificar las condiciones de alimentación, mejora la consistencia experimental y proporciona datos fiables sobre la composición del gas para la evaluación de la conversión de CO₂ y el análisis del balance de carbono. Incluso pequeñas variaciones en las condiciones de alimentación pueden afectar a la evaluación del rendimiento del catalizador y a la comparabilidad de los resultados experimentales.
• Análisis exhaustivo del gas de salida: La corriente de gas de salida del CO2RR puede contener múltiples componentes gaseosos, entre ellos CO, H₂, CH₄, C₂H₄ y CO₂ residual, dependiendo de los materiales del catalizador y de las condiciones de funcionamiento. La medición simultánea de múltiples componentes es esencial para evaluar con precisión el rendimiento del catalizador, la distribución de los productos y la eficiencia de la reacción.
• Seguimiento en tiempo real del rendimiento de la reacción: Durante la selección de catalizadores y la optimización del proceso, la composición del gas puede variar a lo largo de la electrólisis a medida que evolucionan el comportamiento del catalizador y las condiciones de funcionamiento. El muestreo periódico solo ofrece instantáneas limitadas del comportamiento de la reacción y puede pasar por alto cambios transitorios en la distribución del producto. El seguimiento en tiempo real de la composición del gas permite a los investigadores realizar un seguimiento de las tendencias de la reacción, comparar las condiciones de funcionamiento y optimizar los parámetros de reacción de forma más eficiente.

Por lo tanto, un analizador de gases utilizado en la CO2RR debe ser capaz de medir múltiples componentes simultáneamente, con la precisión y la velocidad de respuesta suficientes para respaldar tanto el control del proceso como la evaluación del catalizador.

Analizador portátil de gas de síntesis por infrarrojos Gasboard-3100P: una solución avanzada para el análisis en tiempo real de gases multicomponentes en la CO2RR

Para dar respuesta a la necesidad de un análisis preciso y en tiempo real de gases multicomponentes en aplicaciones de CO2RR, Cubic Instruments, fabricante líder de sensores y analizadores de gases, ofrece el Gasboard-3100P, un analizador portátil de gas de síntesis por infrarrojos homologado por la PCT, basado en tecnologías patentadas de infrarrojos no dispersivos (NDIR) y de detección por conductividad térmica (TCD), combinadas con tecnología de detección electroquímica (ECD) para un análisis exhaustivo de los gases.

En concreto, el Gasboard-3100P utiliza la tecnología NDIR para medir CO, CO₂, CH₄ y C₂H₄, aprovechando las características distintivas de absorción infrarroja de cada gas para lograr una medición selectiva y precisa incluso en corrientes de gases complejas y multicomponentes. Para una detección precisa de H₂, se emplea la tecnología TCD con corrección inteligente de la sensibilidad cruzada para compensar las interferencias de CO, CO₂ y CH₄. Además, el O₂ se mide mediante la tecnología ECD, lo que permite detectar impurezas de oxígeno que, de otro modo, podrían interferir en la reacción de reducción. Al integrar estas tecnologías de detección complementarias, el Gasboard-3100P ofrece la capacidad de medir simultáneamente gases multicomponentes para facilitar la evaluación del rendimiento de la CO2RR y la optimización del proceso.

La cuantificación precisa de los productos en fase gaseosa es esencial para evaluar la selectividad del catalizador y la eficiencia de conversión en la CO2RR. El Gasboard-3100P ofrece una precisión de ±1 % F.S. en todos los canales NDIR y de ±2 % F.S. para el H₂ y el O₂, lo que proporciona la precisión de medición necesaria para cumplir con los requisitos de precisión.

La rapidez de respuesta también es fundamental para la investigación sobre la CO2RR, en la que la composición de los gases puede variar durante la electrólisis debido a las variaciones en la actividad del catalizador y las condiciones de funcionamiento. Con un tiempo de respuesta inferior a 10 segundos, el Gasboard-3100P permite a los investigadores captar los cambios en la composición de los gases con un retraso mínimo, lo que proporciona una retroalimentación más rápida durante la selección de catalizadores y la optimización de la reacción. La capacidad de respuesta rápida del Gasboard-3100P ayuda a reducir el tiempo de iteración, mejorar la eficiencia experimental y acelerar la optimización de las condiciones de reacción.

Diseñado para una cómoda implementación en entornos de ensayo de CO2RR, el Gasboard-3100P integra una bomba de muestreo, un caudalímetro, filtros y una batería recargable, además de los módulos de análisis de gases, lo que proporciona una solución autónoma para los montajes experimentales. En comparación con los métodos de análisis fuera de línea convencionales, el diseño integrado simplifica el flujo de trabajo de medición al reducir los requisitos de muestreo manual y la necesidad de una manipulación compleja de las muestras o de pasos analíticos adicionales. El almacenamiento interno de datos y las interfaces de comunicación digital estándar facilitan aún más la transferencia eficiente de datos y la integración con los sistemas experimentales existentes.

Al combinar el análisis de gases multicomponentes, la medición precisa, la respuesta rápida y las capacidades de implementación flexible, el Gasboard-3100P ayuda a los investigadores a obtener información fiable sobre el comportamiento de la reacción CO₂RR y a optimizar las condiciones experimentales de forma más eficiente.

Por qué Cubic Instruments

Cubic Instruments ha construido una base amplia y sólida en tecnologías de detección de gases, con competencias clave que abarcan el infrarrojo no dispersivo (NDIR), la dispersión Raman por láser, UV-DOAS, TDLAS, la detección electroquímica (ECD) y las tecnologías ultrasónicas. Su capacidad técnica multiplataforma permite a Cubic Instruments desarrollar soluciones a medida para una amplia gama de aplicaciones de monitorización y análisis de gases.

El Gasboard-3100P se basa en plataformas tecnológicas consolidadas que han demostrado un rendimiento fiable en condiciones de funcionamiento continuo. Respaldada por un riguroso control de calidad de los productos, un servicio de asistencia técnica ágil y un compromiso con la colaboración a largo plazo con los clientes, Cubic Instruments proporciona a los investigadores y a los ingenieros de procesos del CO2RR soluciones de instrumentación en las que pueden confiar, desde la implantación inicial hasta el final de sus programas de investigación y desarrollo.

A medida que la reducción electroquímica de CO₂ sigue avanzando hacia la escala piloto y la implantación comercial, Cubic Instruments mantiene su compromiso de ofrecer soluciones de monitorización de gases de precisión que satisfagan los requisitos analíticos en constante evolución de esta aplicación.