Caminho para a captura e armazenamento de carbono zero pode levar ao oceano – Strong The One

A abordagem usa um filtro polimérico contendo cobre inovador e essencialmente converte CO₂ em bicarbonato de sódio (também conhecido como bicarbonato de sódio) que pode ser liberado inofensivamente no oceano. Esse novo material híbrido, ou filtro, é chamado DeCarbonHIX (ou seja, descarbonização por meio de material híbrido de troca iônica) e é descrito em um artigo publicado recentemente na revista Avanços da ciência.

A pesquisa, que demonstrou um aumento de 300% na quantidade de carbono capturado em comparação com os métodos existentes de captura direta de ar, atraiu a atenção internacional de meios de comunicação como BBC, CNN, Fast Company e The Daily Beast, e organizações profissionais como o American Sociedade Química. O próprio SenGupta tem despertado interesse na tecnologia de empresas sediadas no Brasil, Irlanda e Oriente Médio.

“A crise climática é um problema internacional”, diz SenGupta, que é professor de engenharia química e biomolecular e engenharia civil e ambiental na PC Rossin College of Engineering and Applied Science de Lehigh. “E acredito que temos a responsabilidade de construir tecnologia de captura direta de ar de forma que possa ser implementada por pessoas e países ao redor do mundo. Qualquer pessoa que saiba operar um telefone celular deve ser capaz de operar esse processo. Isso não é tecnologia para ganhar dinheiro. É para salvar o mundo.”

O trabalho é mais uma extensão do compromisso pessoal e profissional do SenGupta em desenvolver tecnologias que beneficiem a humanidade e, em particular, as comunidades marginalizadas em todo o mundo. Sua pesquisa em ciência e tecnologia da água inclui metodologias de tratamento de água potável, dessalinização, reutilização de águas residuais municipais e recuperação de recursos. Ele inventou o primeiro nanomaterial trocador de ânions híbrido seletivo de arsênico reutilizável (HAIX-Nano) e, como resultado, mais de dois milhões de pessoas em todo o mundo agora bebem água segura para arsênico. Duas de suas patentes foram reconhecidas como “Patents for Humanity” pelo US Patent and Trademark Office.

Sua invenção do DeCarbonHIX foi o resultado de um contínuo CO₂projeto de dessalinização de águas residuais conduzido pelo Bureau of Reclamation sob a jurisdição do Departamento do Interior dos EUA. SenGupta e seus alunos estavam à procura de um suprimento confiável de CO₂ mesmo em lugares remotos. Essa busca levou ao campo da captura direta de ar, ou DAC, e à criação do DeCarbonHIX. Este assunto foi o tema da dissertação do estudante de engenharia ambiental Hao Chen ’23 PhD, que defendeu com sucesso seu doutorado em março e receberá seu doutorado em maio.

Capturando carbono em concentrações mais baixas

O mais abundante dos gases de efeito estufa que contribuem para o aquecimento global é o dióxido de carbono. Em 2021, as emissões globais de CO₂ aumentou 6% em relação ao ano anterior – para 36,3 gigatoneladas, de acordo com a Agência Internacional de Energia. Apenas um gigaton (equivalente a 1 bilhão de toneladas) é o equivalente à massa de todos os mamíferos terrestres da Terra.

As emissões de gases de efeito estufa aumentaram as temperaturas globais em aproximadamente 1,1 grau Celsius acima dos níveis pré-industriais, de acordo com o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas. Em seu relatório do grupo de trabalho de 2021, o IPCC estima que a temperatura média anual nos próximos 20 anos deverá aumentar em pelo menos 1,5 graus Celsius. Quanto mais quente a Terra fica, maiores são as consequências em termos de aumento do nível do mar, tempestades extremas e perturbações ecológicas, todas com repercussões na saúde, segurança e estabilidade globais.

“O pior desta crise é que as pessoas marginalizadas, que são pobres, vão sofrer 10 vezes mais do que as que contribuíram para esta situação”, diz SenGupta.

Existem três maneiras de reduzir o CO₂, ele diz. A primeira — ação do governo — pode reduzir as emissões, mas não resolverá o que já está no ar.

“A segunda maneira é removê-lo de fontes pontuais, lugares como chaminés e chaminés onde o dióxido de carbono está sendo emitido em grandes quantidades”, diz ele. “O bom disso é que você pode removê-lo em concentrações muito altas, mas só visa emissões de fontes específicas”.

O método mais novo é chamado de captura direta de ar, que, diz ele, “permite remover CO₂ de qualquer lugar, até mesmo do seu próprio quintal.”

Com DAC, processos químicos removem CO₂ da atmosfera, após o que é normalmente armazenado no subsolo. No entanto, diz SenGupta, a tecnologia é limitada por sua capacidade. Ele não pode capturar CO2 suficiente para superar o custo de energia da execução do processo.

“Se você está capturando dióxido de carbono de uma chaminé em uma fábrica, a quantidade de CO₂ no ar pode ser superior a 100.000 partes por milhão”, diz ele. “Nessa concentração, é fácil removê-lo. Mas, de um modo geral, o nível de CO2 no ar é de cerca de 400 partes por milhão. Isso é muito alto do ponto de vista da mudança climática, mas para fins de remoção, consideramos isso ultradiluído. Os materiais de filtro atuais simplesmente não conseguem coletar o suficiente.”

Outro desafio com o DAC envolve o armazenamento. Depois do CO₂ é capturado, dissolvido, colocado sob pressão, liquefeito e normalmente armazenado a quilômetros de profundidade. Uma operação DAC deve então estar localizada em uma área com armazenamento geológico suficiente – e estabilidade. Um país como o Japão, por exemplo, não pode bombear CO₂ subterrâneo porque a área é propensa a terremotos.

Vendo uma solução na água do mar

A SenGupta desenvolveu um método DAC que supera tanto o problema de captura quanto o problema de armazenamento.

Para o problema de captura, ele desenvolveu DeCarbonHIX – um sorvente mecanicamente forte e quimicamente estável (um material usado para absorver líquidos ou gases) – que contém cobre.

“O cobre altera uma propriedade intrínseca do material polimérico original e aumenta a capacidade de captura em 300%”, diz ele. “Mostramos que para a captura direta de ar do ar com 400 partes por milhão de CO₂, alcançamos a capacidade, o que significa que a capacidade não é mais uma função de quanto dióxido de carbono está no ar. O filtro ficará saturado completamente em qualquer concentração, o que significa que você pode realizar o DAC em seu quintal, no meio do deserto ou no meio do oceano.”

O oceano é, na verdade, a solução de SenGupta para o problema de armazenamento. Seu processo DAC começa com ar soprando através do filtro para capturar CO₂. Uma vez que o filtro esteja saturado com moléculas de gás (determinado pela medição da quantidade de gás entrando no filtro versus saindo dele), a água do mar passa pelo filtro. A água do mar converte o dióxido de carbono em bicarbonato de sódio (você provavelmente o conhece como bicarbonato de sódio, mas perde o visual porque estamos falando de uma solução dissolvida aqui). O bicarbonato de sódio dissolvido é então liberado diretamente no oceano, o que Sengupta chama de “sumidouro infinito”.

“E não tem nenhum impacto adverso no oceano”, diz SenGupta. “Isso não altera a salinidade em nada.”

Na verdade, diz ele, o bicarbonato de sódio, que é levemente alcalino, pode melhorar a saúde do oceano. Isso porque níveis elevados de CO₂ na atmosfera reduziram gradativamente o pH do oceano, causando acidificação. Águas mais ácidas prejudicam o crescimento e a reprodução da vida marinha, como corais e plâncton, e podem criar colapsos catastróficos na cadeia alimentar.

“O bicarbonato de sódio pode reverter essa redução do pH”, diz ele.

Vale a pena notar, diz ele, que, como os processos DAC existentes, o DeCarbonHIX também pode ser dessorvido com água quente ou vapor e CO puro₂ podem ser recuperados, compactados e armazenados no subsolo em armazenamento geológico.

“Na realidade, este novo material filtrante oferece um modo duplo de dessorção e sequestro.”