No meio dos esforços globais para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa, os cientistas do MIT estão a concentrar-se na tecnologia de captura de carbono para descarbonizar as emissões industriais mais desafiantes. Estas descobertas, baseadas num único processo eletroquímico, poderiam ajudar a reduzir as emissões das indústrias mais difíceis de descarbonizar, como a siderúrgica e a do cimento.
Os pesquisadores revelaram como capturar e converter o dióxido de carbono através de um único processo eletroquímico. Nesse processo, eletrodos (como aquele coberto de bolhas na foto) são usados para absorver o dióxido de carbono liberado do adsorvente e convertê-lo em um produto neutro em carbono. Crédito da foto: JohnFreidah/MITMechE
Indústrias como a siderurgia, o cimento e a indústria química são particularmente difíceis de descarbonizar devido à utilização inerente de carbono e combustíveis fósseis nos seus processos de produção. Se a tecnologia pudesse ser desenvolvida para capturar as emissões de carbono e reutilizá-las no processo de produção, seria possível reduzir significativamente as emissões destas indústrias “difíceis de reduzir”.
No entanto, as actuais tecnologias experimentais para capturar e converter dióxido de carbono são dois processos separados que requerem grandes quantidades de energia para funcionar. A equipa de investigação do MIT espera combinar os dois processos num sistema integrado e muito mais eficiente em termos energéticos, que poderia potencialmente utilizar energia renovável para capturar e converter dióxido de carbono a partir de recursos industriais concentrados.
Últimos resultados de pesquisas sobre captura e conversão de carbono
Num estudo publicado em 5 de setembro na revista ACSCatalysis, os investigadores revelam o poder oculto de como capturar e converter dióxido de carbono através de um único processo eletroquímico. O processo envolve o uso de eletrodos para absorver o dióxido de carbono liberado de um adsorvente e convertê-lo em uma forma reduzida e reutilizável.
Outros relataram demonstrações semelhantes, mas o mecanismo que conduz a reação eletroquímica permanece obscuro. A equipe do MIT conduziu vários experimentos para determinar esse fator e descobriu que, em última análise, ele depende da pressão parcial do dióxido de carbono. Em outras palavras, quanto mais puro for o dióxido de carbono em contato com o eletrodo, mais eficientemente o eletrodo poderá capturar e converter moléculas de dióxido de carbono.
A compreensão desse fator primário, ou "espécie ativa", poderia ajudar os cientistas a ajustar e otimizar sistemas eletroquímicos semelhantes para capturar e converter eficientemente o dióxido de carbono em um processo integrado.
Os resultados deste estudo sugerem que, embora estes sistemas eletroquímicos possam não ser adequados para ambientes muito rarefeitos (por exemplo, captura e conversão de emissões de carbono diretamente do ar), eles são adequados para as altas concentrações de emissões produzidas por processos industriais, particularmente aqueles para os quais não existem alternativas renováveis óbvias.
"Podemos e devemos mudar para energia renovável para geração de eletricidade", disse o autor do estudo Betar Gallant, professor associado de desenvolvimento de carreira do MIT em 1922. "Mas a descarbonização profunda de indústrias como a produção de cimento ou aço é desafiadora e levará mais tempo. Mesmo se aposentarmos todas as usinas de energia, precisaremos de algumas soluções para lidar com as emissões em outras indústrias no curto prazo antes de podermos descarbonizar totalmente essas indústrias. É aí que vemos um ponto ideal, e algo como este sistema poderia se encaixar nesse ponto ideal. "
Os co-autores do estudo do MIT incluem o autor principal, pós-doutorado Graham Leverick e a estudante de graduação Elizabeth Bernhardt, bem como Athea Iliani-Esse da Sunway University na Malásia. Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman e Mohamed Kheireddine Aroua.
Saiba mais sobre o processo de captura de carbono
A tecnologia de captura de carbono é projetada para capturar emissões, ou “condutas”, das chaminés de usinas de energia e instalações de fabricação. As emissões são direcionadas, principalmente através de grandes retrofits, para uma câmara contendo uma solução de "captura" (uma mistura de aminas ou compostos amino que se combinam quimicamente com dióxido de carbono para criar uma forma estável que pode ser separada do resto do gás de combustão).
O dióxido de carbono capturado é então tratado com altas temperaturas, muitas vezes utilizando vapor gerado a partir de combustíveis fósseis, para libertar o dióxido de carbono preso nas suas ligações aminas. O gás dióxido de carbono puro pode ser bombeado para tanques de armazenamento ou subterrâneos, mineralizado ou posteriormente convertido em produtos químicos ou combustíveis.
“A captura de carbono é uma tecnologia madura e a química tem cerca de 100 anos, mas requer instalações muito grandes e é bastante cara e consome muita energia para funcionar”, ressalta Gallant. "O que precisamos é de uma tecnologia mais modular e flexível que possa se adaptar às mais diversas fontes de dióxido de carbono. Os sistemas eletroquímicos podem ajudar a resolver este problema."
Seu grupo de pesquisa no MIT está desenvolvendo um sistema eletroquímico que pode reciclar o dióxido de carbono capturado e convertê-lo em produtos utilizáveis e reduzidos. Um tal sistema integrado, em vez de um sistema separado, poderia ser alimentado inteiramente por energia renovável, em vez de vapor gerado a partir de combustíveis fósseis, disse ela.
Seu conceito centra-se em um eletrodo que pode caber na cavidade de uma solução de captura de carbono existente. Quando uma voltagem é aplicada ao eletrodo, os elétrons fluem em direção à forma ativa do dióxido de carbono e são convertidos em produtos usando prótons fornecidos pela água. Dessa forma, o adsorvente pode absorver mais dióxido de carbono em vez de usar vapor para absorver o dióxido de carbono.
Gallant mostrou anteriormente que este processo eletroquímico pode capturar dióxido de carbono e convertê-lo em uma forma sólida de carbonato. “Mostramos desde os primeiros conceitos que esse processo eletroquímico era possível”, disse ela. "Desde então, tem havido outros estudos centrados na utilização deste processo para tentar produzir produtos químicos e combustíveis úteis. Mas tem havido explicações inconsistentes de como estas reações funcionam."
O papel do "dióxido de carbono sozinho"
No novo estudo, a equipe de pesquisa do MIT usou uma lupa para observar as reações específicas que impulsionam os processos eletroquímicos. No laboratório, eles geraram soluções de amina semelhantes às soluções de captura industrial usadas para extrair dióxido de carbono de gases de combustão. Eles variaram metodicamente várias propriedades de cada solução, como pH, concentração e tipo de amina, e então passaram cada solução através de um eletrodo de prata, um metal amplamente utilizado em pesquisas de eletrólise e conhecido por converter eficientemente dióxido de carbono em monóxido de carbono. Eles então mediram a concentração de monóxido de carbono convertido no final da reação e compararam esse número com o de cada uma das outras soluções testadas para determinar qual parâmetro teve o maior impacto na quantidade de monóxido de carbono produzido.
No final, descobriram que o que mais importava não era o tipo de amina utilizada para capturar o dióxido de carbono, como muitos suspeitavam. Em vez disso, o que é mais importante é a concentração de moléculas de dióxido de carbono flutuantes na solução que evitam a ligação às aminas. Este "dióxido de carbono sozinho" determina a concentração final de monóxido de carbono produzido.
"Descobrimos que este CO2 'sozinho' reage mais prontamente do que o CO2 capturado pelas aminas", disse Leverick. "Isso diz aos futuros pesquisadores que este processo é viável em fluxos industriais e pode capturar com eficiência altas concentrações de CO2 e convertê-lo em produtos químicos e combustíveis úteis."
“Esta não é uma tecnologia de remoção, o que é importante”, enfatiza Gallant. "O valor que isso traz é que nos permite reciclar o CO2 muitas vezes, mantendo os processos industriais existentes, reduzindo assim as emissões associadas. Em última análise, meu sonho é usar sistemas eletroquímicos para promover a mineralização e o armazenamento permanente de CO2, que é uma verdadeira tecnologia de remoção. Esta é uma visão de longo prazo. E grande parte da ciência que estamos começando a entender é o primeiro passo na concepção desses processos."