Na corrida para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa em todo o mundo, os cientistas do MIT procuram tecnologias de captura de carbono para descarbonizar os emissores industriais mais obstinados.

A produção de aço, cimento e produtos químicos são indústrias especialmente difíceis de descarbonizar, uma vez que o carbono e os combustíveis fósseis são ingredientes inerentes à sua produção. As tecnologias que possam capturar as emissões de carbono e convertê-las em formas que retroalimentem o processo de produção poderiam ajudar a reduzir as emissões globais destes sectores “difíceis de reduzir”.

Mas até agora, as tecnologias experimentais que capturam e convertem dióxido de carbono fazem-no como dois processos separados, que requerem uma enorme quantidade de energia para funcionar. A equipa do MIT procura combinar os dois processos num sistema integrado e muito mais eficiente em termos energéticos, que poderia potencialmente funcionar com energia renovável para capturar e converter dióxido de carbono de fontes industriais concentradas.

Num estudo publicado hoje na ACS Catalysis , os investigadores revelam o funcionamento oculto de como o dióxido de carbono pode ser capturado e convertido através de um único processo eletroquímico. O processo envolve o uso de um eletrodo para atrair o dióxido de carbono liberado de um sorvente e convertê-lo em uma forma reduzida e reutilizável.

Outros relataram demonstrações semelhantes, mas os mecanismos que conduzem a reação eletroquímica permaneceram obscuros. A equipe do MIT realizou extensos experimentos para determinar esse fator e descobriu que, no final, tudo se resumia à pressão parcial do dióxido de carbono. Em outras palavras, quanto mais puro o dióxido de carbono entrar em contato com o eletrodo, mais eficientemente o eletrodo poderá capturar e converter a molécula.

O conhecimento deste fator principal, ou “espécie activa”, pode ajudar os cientistas a sintonizar e optimizar sistemas electroquímicos semelhantes para capturar e converter eficientemente o dióxido de carbono num processo integrado.

Os resultados do estudo implicam que, embora estes sistemas eletroquímicos provavelmente não funcionem em ambientes muito diluídos (por exemplo, para capturar e converter emissões de carbono diretamente do ar), eles seriam adequados para as emissões altamente concentradas geradas por processos industriais, particularmente aqueles que não têm nenhuma alternativa renovável óbvia.

“Podemos e devemos mudar para energias renováveis ??para a produção de eletricidade. Mas descarbonizar profundamente indústrias como a produção de cimento ou aço é um desafio e levará mais tempo”, afirma o autor do estudo, Betar Gallant, professor associado de desenvolvimento de carreira da turma de 1922 no MIT. “Mesmo que nos livremos de todas as nossas centrais eléctricas, precisamos de algumas soluções para lidar com as emissões de outras indústrias a curto prazo, antes de podermos descarbonizá-las totalmente. É aí que vemos um ponto ideal, onde algo como este sistema poderia caber.”

Os coautores do estudo no MIT são o autor principal e pós-doutorado Graham Leverick e a estudante de graduação Elizabeth Bernhardt, juntamente com Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman e Mohamed Kheireddine Aroua da Sunway University na Malásia.

Quebrando laços

As tecnologias de captura de carbono são concebidas para capturar emissões, ou “gases de combustão”, das chaminés de centrais eléctricas e instalações de produção. Isso é feito principalmente por meio de grandes retrofits para canalizar as emissões para câmaras preenchidas com uma solução de “captura” – uma mistura de aminas, ou compostos à base de amônia, que se ligam quimicamente ao dióxido de carbono, produzindo uma forma estável que pode ser separada do resto. do gás de combustão.

Altas temperaturas são então aplicadas, normalmente na forma de vapor gerado por combustíveis fósseis, para liberar o dióxido de carbono capturado de sua ligação amina. Na sua forma pura, o gás pode então 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, na medida em que a química é conhecida há cerca de 100 anos, mas requer instalações muito grandes e é bastante cara e consome muita energia para funcionar”, observa Gallant. “O que queremos são tecnologias mais modulares e flexíveis e que possam ser adaptadas às mais diversas fontes de dióxido de carbono. Os sistemas eletroquímicos podem ajudar a resolver isso.”

Seu grupo no MIT está desenvolvendo um sistema eletroquímico que recupera o dióxido de carbono capturado e o converte em um produto utilizável e reduzido. Um tal sistema integrado, em vez de um sistema dissociado, diz ela, poderia ser inteiramente alimentado com electricidade renovável em vez de vapor derivado de combustíveis fósseis.

Seu conceito centra-se em um eletrodo que caberia em câmaras existentes de soluções de captura de carbono. Quando uma voltagem é aplicada ao eletrodo, os elétrons fluem para a forma reativa do dióxido de carbono e o convertem em um produto usando prótons fornecidos pela água. Isto torna o sorvente disponível para ligar mais dióxido de carbono, em vez de usar vapor para fazer o mesmo.

Gallant demonstrou anteriormente que este processo eletroquímico poderia funcionar para capturar e converter dióxido de carbono em uma forma sólida de carbonato .

“Mostramos que esse processo eletroquímico era viável em conceitos muito iniciais”, diz ela. “Desde então, tem havido outros estudos focados na utilização deste processo para tentar produzir produtos químicos e combustíveis úteis. Mas tem havido explicações inconsistentes sobre como essas reações funcionam, nos bastidores.”

No novo estudo, a equipe do MIT usou uma lupa para descobrir as reações específicas que impulsionam o processo eletroquímico. No laboratório, eles geraram soluções de aminas que se assemelham às soluções de captura industrial usadas para extrair dióxido de carbono dos gases de combustão. Eles alteraram metodicamente várias propriedades de cada solução, como pH, concentração e tipo de amina, e depois passaram cada solução por um eletrodo feito de prata – um metal amplamente utilizado em estudos de eletrólise e conhecido por converter eficientemente dióxido de carbono em carbono. monóxido. Eles então mediram a concentração de monóxido de carbono que foi convertido no final da reação e compararam esse número com o de todas as outras soluções testadas, para ver qual parâmetro tinha mais influência na quantidade de monóxido de carbono produzido.

No final, descobriram que o que mais importava não era o tipo de amina utilizada para capturar inicialmente o dióxido de carbono, como muitos suspeitavam. Em vez disso, foi a concentração de moléculas individuais de dióxido de carbono flutuantes, que evitaram a ligação com aminas, mas mesmo assim estavam presentes na solução. Este “solo-CO2” determinou a concentração de monóxido de carbono que foi finalmente produzido.

“Descobrimos que é mais fácil reagir com esse CO2 'solo', em comparação com o CO2 que foi capturado pela amina”, oferece Leverick. “Isto diz aos futuros investigadores que este processo pode ser viável para fluxos industriais, onde altas concentrações de dióxido de carbono poderiam ser eficientemente capturadas e convertidas em produtos químicos e combustíveis úteis.”

“Esta não é uma tecnologia de remoção e é importante afirmar isso”, enfatiza Gallant. “O valor que traz é que nos permite reciclar o dióxido de carbono algumas vezes, ao mesmo tempo que sustentamos os processos industriais existentes, com menos emissões associadas. Em última análise, meu sonho é que sistemas eletroquímicos possam ser usados ??para facilitar a mineralização e o armazenamento permanente de CO2 – uma verdadeira tecnologia de remoção. Essa é uma visão de longo prazo. E grande parte da ciência que estamos começando a entender é um primeiro passo para projetar esses processos.”

Esta pesquisa é apoiada pela Sunway University na Malásia.