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A nova tecnologia desenvolvida pelos engenheiros da Rice University pode reduzir o custo de captura de dióxido de carbono de todos os tipos de emissões, um potencial divisor de águas para ambas as indústrias que procuram se adaptar aos padrões de gases de efeito estufa em evolução e para a economia emergente de transição energética.
De acordo com um estudo publicado na Natureza, o sistema do laboratório do engenheiro químico e biomolecular Haotian Wang pode remover diretamente o dióxido de carbono de fontes que vão desde gases de combustão até a atmosfera, usando eletricidade para induzir uma reação eletroquímica à base de água e oxigênio. Essa façanha tecnológica pode transformar a captação direta de ar da indústria periférica ⎯ existem apenas 18 usinas atualmente em operação no mundo ⎯ em uma frente promissora para a mitigação das mudanças climáticas.
A maioria dos sistemas de captura de carbono envolve um processo de duas etapas: primeiro, líquidos de alto pH são usados para separar o dióxido de carbono, que é ácido, de fluxos de gases misturados, como gases de combustão. Em seguida, o dióxido de carbono é regenerado da solução por aquecimento ou por injeção de um líquido de baixo pH.
“Uma vez que o dióxido de carbono fica preso nesses solventes, você precisa regenerá-lo”, disse Wang.
“Os métodos tradicionais de depuração de amina requerem temperaturas de 100-200 graus Celsius (212-392 Fahrenheit). Para processos à base de carbonato de cálcio, você precisa de temperaturas de até 900 graus Celsius (1652 Fahrenheit).
“Literalmente não há produtos químicos produzidos ou consumidos com nosso processo. Também não precisamos aquecer ou pressurizar nosso dispositivo, basta conectá-lo a uma tomada e ele funcionará.”
Outra desvantagem das atuais tecnologias de captura de carbono é sua dependência de infraestrutura centralizada em grande escala. Por outro lado, o sistema desenvolvido no laboratório de Wang é um conceito de ponto de uso escalável e modular que pode ser adaptado a uma variedade de cenários.
“A tecnologia pode ser ampliada para ambientes industriais ⎯ usinas de energia, fábricas de produtos químicos ⎯ mas o melhor é que também permite o uso em pequena escala: posso até usá-la em meu escritório”, disse Wang. “Poderíamos, por exemplo, extrair dióxido de carbono da atmosfera e injetar continuamente esse gás concentrado em uma estufa para estimular o crescimento das plantas. Ouvimos de empresas de tecnologia espacial interessadas em usar o dispositivo em estações espaciais para remover o dióxido de carbono que os astronautas exalam .”
O reator desenvolvido por Wang e sua equipe pode remover continuamente o dióxido de carbono de um gás de combustão simulado com eficiência acima de 98% usando uma entrada de eletricidade relativamente baixa.
“A eletricidade usada para alimentar uma lâmpada de 50 watts por uma hora renderá de 10 a 25 litros de dióxido de carbono de alta pureza”, disse Peng Zhu, estudante de pós-graduação em engenharia química e biomolecular e principal autor do estudo.
Wang observou que o processo “não tem pegada de carbono ou uma pegada muito limitada” se alimentado por eletricidade de fontes renováveis, como solar ou eólica.
“Esta é uma ótima notícia, considerando que a eletricidade renovável está se tornando cada vez mais econômica”, disse Wang.
O reator consiste em um cátodo configurado para realizar a redução de oxigênio, um ânodo que realiza a reação de evolução do oxigênio e uma camada de eletrólito sólido compacta, mas porosa, que permite a condução eficiente de íons. Uma versão anterior do reator foi usada para reduzir o dióxido de carbono em combustíveis líquidos puros e reduzir o oxigênio em soluções puras de peróxido de hidrogênio.
“Anteriormente, nosso grupo se concentrava principalmente na utilização de dióxido de carbono”, disse Zhu. “Trabalhamos na produção de produtos líquidos puros, como ácido acético, ácido fórmico, etc.”
Segundo Wang, Zhu observou durante o processo de pesquisa que bolhas de gás saíam da câmara do meio do reator junto com os líquidos.
“No início, não prestávamos muita atenção a esse fenômeno”, disse Wang. “No entanto, Peng observou que, se aplicássemos mais corrente, haveria mais bolhas. Essa é uma correlação direta, o que significa que algo não aleatório está acontecendo.”
Os pesquisadores perceberam que a interface alcalina gerada durante as reações de redução no cátodo do reator interagia com as moléculas de dióxido de carbono para formar íons de carbonato. Os íons de carbonato migram para a camada de eletrólito sólido do reator, onde se combinam com os prótons resultantes da oxidação da água no lado do ânodo, formando um fluxo contínuo de dióxido de carbono de alta pureza.
“Descobrimos esse fenômeno aleatoriamente durante nossos estudos anteriores”, disse Wang. “Ajustamos e otimizamos a tecnologia para esse novo projeto e nova aplicação. Passamos anos trabalhando continuamente nesse tipo de dispositivo eletroquímico.
“A descoberta científica muitas vezes requer essa observação paciente e contínua e a curiosidade de aprender o que realmente está acontecendo, a escolha de não negligenciar os fenômenos que não necessariamente se encaixam no quadro experimental”.
Wang é o William Marsh Rice Trustee Chair e professor assistente de engenharia química e biomolecular, ciência de materiais e nanoengenharia e química, e foi recentemente promovido a professor associado com posse, a partir de 1º de julho.
A National Science Foundation (2029442), a Robert A. Welch Foundation (C-2051-20200401) e a David and Lucile Packard Foundation (2020-71371) apoiaram a pesquisa.
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