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Pesquisadores da Universidade de Newcastle desenvolveram uma nova membrana movida a energia ambiente que bombeia dióxido de carbono do ar.
A captura direta de ar foi identificada como uma das ‘Sete separações químicas para mudar o mundo’. Isso ocorre porque, embora o dióxido de carbono seja o principal contribuinte para as mudanças climáticas (liberamos ~40 bilhões de toneladas na atmosfera todos os anos), separar o dióxido de carbono do ar é muito desafiador devido à sua concentração diluída (~0,04%).
O Prof. Ian Metcalfe, titular da Cátedra de Tecnologias Emergentes da Royal Academy of Engineering na Escola de Engenharia da Universidade de Newcastle, Reino Unido, e pesquisador principal, afirma: “Os processos de separação diluída são as separações mais desafiadoras de serem realizadas por dois motivos principais. Primeiro, devido à baixa concentração, a cinética (velocidade) das reações químicas que visam a remoção do componente diluído é muito lenta. Segundo, concentrar o componente diluído requer muita energia.”
Esses são os dois desafios que os pesquisadores de Newcastle (com colegas da Victoria University of Wellington, Nova Zelândia, Imperial College London, Reino Unido, Oxford University, Reino Unido, Strathclyde University, Reino Unido e UCL, Reino Unido) se propuseram a abordar com seu novo processo de membrana. Ao usar diferenças de umidade naturais como uma força motriz para bombear dióxido de carbono para fora do ar, a equipe superou o desafio energético. A presença de água também acelerou o transporte de dióxido de carbono através da membrana, abordando o desafio cinético.
O trabalho é publicado em Energia da Natureza e Dr. Greg A. Mutch, Royal Academy of Engineering Fellow na School of Engineering, Newcastle University, Reino Unido, explica: “A captura direta de ar será um componente essencial do sistema de energia do futuro. Será necessária para capturar as emissões de fontes móveis e distribuídas de dióxido de carbono que não podem ser facilmente descarbonizadas de outras maneiras.”
“Em nosso trabalho, demonstramos a primeira membrana sintética capaz de capturar dióxido de carbono do ar e aumentar sua concentração sem uma entrada de energia tradicional como calor ou pressão. Acho que uma analogia útil pode ser uma roda d’água em um moinho de farinha. Enquanto um moinho usa o transporte de água para baixo para impulsionar a moagem, nós o usamos para bombear dióxido de carbono para fora do ar.”
Processos de separação
Os processos de separação sustentam a maioria dos aspectos da vida moderna. Da comida que comemos aos remédios que tomamos e aos combustíveis ou baterias em nosso carro, a maioria dos produtos que usamos passou por vários processos de separação. Além disso, os processos de separação são importantes para minimizar o desperdício e a necessidade de remediação ambiental, como a captura direta de dióxido de carbono no ar.
No entanto, em um mundo caminhando para uma economia circular, os processos de separação se tornarão ainda mais críticos. Aqui, a captura direta de ar pode ser usada para fornecer dióxido de carbono como matéria-prima para fazer muitos dos produtos de hidrocarbonetos que usamos hoje, mas em um ciclo neutro em carbono, ou mesmo negativo em carbono.
Mais importante ainda, além da transição para energia renovável e captura tradicional de carbono de fontes pontuais, como usinas de energia, a captura direta de ar é necessária para atingir metas climáticas, como a meta de 1,5 °C definida pelo Acordo de Paris.
A membrana movida pela umidade
Dr. Evangelos Papaioannou, Professor Sênior na Escola de Engenharia, Universidade de Newcastle, Reino Unido, explica: “Em um afastamento da operação típica de membrana, e conforme descrito no artigo de pesquisa, a equipe testou uma nova membrana permeável a dióxido de carbono com uma variedade de diferenças de umidade aplicadas através dela. Quando a umidade era maior no lado de saída da membrana, a membrana bombeava espontaneamente dióxido de carbono para esse fluxo de saída.”
Usando tomografia microcomputadorizada de raios X com colaboradores da UCL e da Universidade de Oxford, a equipe conseguiu caracterizar precisamente a estrutura da membrana. Isso permitiu que eles fornecessem comparações de desempenho robustas com outras membranas de última geração.
Um aspecto fundamental do trabalho foi modelar os processos que ocorrem na membrana na escala molecular. Usando cálculos de teoria funcional de densidade com um colaborador afiliado à Victoria University of Wellington e ao Imperial College London, a equipe identificou “portadores” dentro da membrana. O transportador transporta exclusivamente dióxido de carbono e água, mas nada mais. Água é necessária para liberar dióxido de carbono da membrana, e dióxido de carbono é necessário para liberar água. Por causa disso, a energia de uma diferença de umidade pode ser usada para conduzir dióxido de carbono através da membrana de uma concentração baixa para uma concentração mais alta.
O Prof. Metcalfe acrescenta: “Este foi um verdadeiro esforço de equipe ao longo de vários anos. Somos muito gratos pelas contribuições de nossos colaboradores e pelo apoio da Royal Academy of Engineering e do Engineering & Physical Sciences Research Council.”
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