Capturar dióxido de carbono e convertê-lo em energia de forma eficiente

Os pesquisadores descobriram como o dióxido de carbono pode ser capturado e convertido através de um único processo eletroquímico no qual um eletrodo, como o mostrado na imagem coberto de bolhas, é usado para atrair o dióxido de carbono liberado de um material absorvente e convertê-lo em carbono neutro. produtos. Crédito: John Frieda/MIT MechE

Estes resultados, que dependem de um único processo eletroquímico, poderiam ajudar a reduzir as emissões de indústrias difíceis de descarbonizar, como a siderúrgica e a do cimento.

Nos esforços para reduzir as emissões globais de gases com efeito de estufa em todo o mundo, os cientistas em Instituto de Tecnologia de Massachusetts Eles se concentram em tecnologias de captura de carbono para descarbonizar as emissões industriais mais desafiadoras.

É particularmente difícil descarbonizar indústrias como a siderúrgica, a do cimento e a indústria química devido à utilização inerente de carbono e de combustíveis fósseis nos seus processos. Se as tecnologias puderem ser desenvolvidas para capturar as emissões de carbono e reaproveitá-las no processo de produção, isso poderá levar a uma redução significativa nas emissões destes sectores “difíceis de mitigar”.

No entanto, as actuais 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 mais eficiente em termos energéticos, que possa funcionar com energia renovável para capturar e converter dióxido de carbono de fontes industriais concentradas.

Descobertas recentes sobre captura e conversão de carbono

Em um estudo publicado em 5 de setembro na revista Catálise ACSOs pesquisadores revelam a função oculta de como o dióxido de carbono é capturado e convertido através de um único processo eletroquímico. O processo envolve a utilização de um eletrodo para capturar o dióxido de carbono liberado pelo material absorvente, convertendo-o em uma forma diluída reutilizável.

Outros relataram demonstrações semelhantes, mas os mecanismos que conduzem a reação eletroquímica permaneceram obscuros. A equipe do MIT conduziu extensos experimentos para determinar esse impulso, descobrindo que era devido à pressão parcial do dióxido de carbono. Em outras palavras, quanto mais puro o CO2 que entra em contato com o eletrodo, mais eficientemente o eletrodo captura e converte a molécula.

Descubra o que é esse mecanismo principal ou “ativo”. Classificar“, 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 do estudo indicam que, embora estes sistemas eletroquímicos possam não ser adequados para ambientes altamente diluídos (por exemplo, para capturar e converter emissões de carbono diretamente do ar), seriam adequados para emissões altamente concentradas geradas por processos industriais. Principalmente aqueles que não têm uma alternativa clara às energias renováveis.

“Podemos e devemos mudar para fontes de energia renováveis ​​para produzir eletricidade”, diz o autor do estudo Petar Galant, professor associado de desenvolvimento de carreira no MIT, turma de 1922. “A descarbonização profunda de indústrias como a produção de cimento ou aço é um desafio e levará tempo.” Mais. “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 aqui que vemos um ponto ideal, onde algo como este sistema poderia funcionar.

Os coautores do estudo do MIT são o autor principal e pesquisador de pós-doutorado Graham Leverick e a estudante de graduação Elizabeth Bernhardt, juntamente com Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lo, Arif Arifuzzaman e Mohd Khairuddin Arua da Sunway University Malaysia.

Compreendendo o processo de captura de carbono

As tecnologias de captura de carbono são concebidas para capturar emissões, ou “gases de combustão”, das chaminés de centrais eléctricas e instalações de produção. Isto é feito principalmente através de grandes adaptações para direcionar as emissões para câmaras preenchidas com uma solução de “captura” – uma mistura de aminas, ou compostos à base de amoníaco, que se ligam quimicamente ao dióxido de carbono, criando uma forma estável que pode ser separada do resto. Dos gases de combustão.

Altas temperaturas são então aplicadas, geralmente na forma de vapor de combustível fóssil, para liberar o dióxido de carbono capturado da ligação amino. Na sua forma pura, o gás pode então ser bombeado para tanques de armazenamento ou subterrâneos, mineralizado ou convertido em produtos químicos ou combustível.

“A captura de carbono é uma tecnologia madura, já que a química é conhecida há cerca de 100 anos, mas requer instalações realmente grandes e seu funcionamento é muito caro e consome muita energia”, ressalta Gallant. “O que queremos são tecnologias que sejam mais flexíveis e flexíveis e que possam ser adaptadas a fontes mais diversas 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 transforma em um produto utilizável e reduzido. Um sistema tão integrado, em vez de separado, poderia ser alimentado inteiramente por electricidade renovável, em vez de vapor derivado de combustíveis fósseis, diz ela.

Seu conceito gira em torno de um eletrodo que pode ser instalado em câmaras existentes para soluções de captura de carbono. Quando a 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 absorvente disponível para reter mais dióxido de carbono, em vez de usar vapor para fazer a mesma coisa.

Gallant já havia demonstrado que este processo eletroquímico pode capturar dióxido de carbono e transformá-lo em gás Forma de carbonato sólido.

“Mostramos que esse processo eletroquímico era possível desde os primeiros conceitos”, diz ela. “Desde então, têm havido outros estudos centrados na utilização deste processo para tentar produzir produtos químicos e combustíveis úteis. Mas tem havido explicações inconsistentes sobre como estas reações funcionam, nos bastidores.”

Papel do CO2 Solo

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

No final, descobriram que o que mais importava não era o tipo de amina utilizada para reter inicialmente o dióxido de carbono, como muitos esperavam. Em vez disso, foi a concentração de moléculas únicas e livres de CO2 que evitaram a ligação às aminas, mas mesmo assim estavam presentes na solução. “Dióxido de carbono único” determina a concentração de monóxido de carbono que é finalmente produzido.

“Descobrimos que era mais fácil reagir com o dióxido de carbono único do que com o dióxido de carbono capturado pela amina”, diz Leverick. “Isto diz aos futuros investigadores que este processo pode ser viável para fluxos industriais, uma vez que altas concentrações de dióxido de carbono podem ser capturadas de forma eficiente e convertidas em produtos químicos e combustíveis úteis.”

“Esta não é uma técnica de remoção e é importante mencionar isso”, enfatiza Gallant. “O valor que traz é que nos permite reciclar o CO2 múltiplas vezes, mantendo os processos industriais existentes, para reduzir as emissões associadas. Em última análise, o meu sonho é que os sistemas eletroquímicos possam ser usados ​​para facilitar a mineralização e o armazenamento permanente de CO2, um verdadeiro tecnologia de remoção.” Esta é uma visão de longo prazo, e grande parte da ciência que estamos começando a compreender é um primeiro passo para projetar esses processos.

Referência: “Detecção de espécies ativas em dióxido de carbono mediado por amina₂ “Redução de CO2 em Ag” por Graham Leverick, Elizabeth M. Bernhardt, Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lu, A. Arif Al-Zaman, Muhammad Khairuddin Arwa e Petar M. Gallant*, 5 de setembro de 2023, Catálise ACS.
doi: 10.1021/acscatal.3c02500

Esta pesquisa é apoiada pela Sunway University Malaysia.