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Nova técnica para capturar dióxido de carbono pode reduzir muito os gases de efeito estufa de usina
O processo utiliza vapor de baixa temperatura para regenerar o MOF para uso repetido, o que significa que menos energia é necessária para a captura de carbono .
Por Universidade da Califórnia - Berkeley - 23/07/2020



Um grande avanço na tecnologia de captura de carbono poderia fornecer uma maneira eficiente e barata para usinas de gás natural removerem dióxido de carbono de suas emissões de combustão, uma etapa necessária na redução de emissões de gases de efeito estufa para retardar o aquecimento global e as mudanças climáticas.

Desenvolvida por pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory e ExxonMobil, a nova técnica usa um material altamente poroso chamado estrutura metal-orgânica, ou MOF, modificado com moléculas de amina contendo nitrogênio para capturar o CO 2 e baixos vapor de temperatura para eliminar o CO 2 para outros usos ou sequestrá-lo no subsolo.

Em experimentos, a técnica mostrou uma capacidade seis vezes maior para remover o CO 2 do gás de combustão do que a tecnologia atual baseada em amina e era altamente seletiva, capturando mais de 90% do CO 2 emitido. O processo utiliza vapor de baixa temperatura para regenerar o MOF para uso repetido, o que significa que menos energia é necessária para a captura de carbono .

"Para a captura de CO 2 , a remoção de vapor - onde você usa contato direto com o vapor para retirar o CO 2 - tem sido uma espécie de santo graal para o campo. É justamente vista como a maneira mais barata de fazer isso", disse o pesquisador sênior Jeffrey Long, professor de química da UC Berkeley e de engenharia química e biomolecular e cientista sênior do Berkeley Lab. "Esses materiais, pelo menos a partir dos experimentos que fizemos até agora, parecem muito promissores".

Como há pouco mercado para a maioria dos CO 2 capturados , as usinas provavelmente bombearão a maior parte dele de volta ao solo ou o sequestrarão, onde, idealmente, se transformarão em rocha. O custo de lavagem das emissões teria que ser facilitado por políticas governamentais, como o comércio de carbono ou um imposto sobre o carbono, para incentivar a captura e o sequestro de CO 2 , algo que muitos países já implementaram.

O trabalho foi financiado pela ExxonMobil, que está trabalhando tanto com o grupo de Berkeley e de Long start-up, Mosaic Materials Inc., para desenvolver, ampliar e processos de teste para descascar CO 2 de emissões.

Long é o autor sênior de um artigo que descreve a nova técnica que foi publicada na edição de 24 de julho da revista Science .
 
"Conseguimos fazer a descoberta inicial e, por meio de pesquisas e testes, obter um material que, em experimentos de laboratório, demonstrou o potencial de não apenas capturar CO 2 sob condições extremas presentes nas emissões de gases de combustão de usinas de gás natural, mas faça isso sem perda de seletividade ", disse o co-autor Simon Weston, associado sênior de pesquisa e líder de projeto da ExxonMobil Research and Engineering Co." Mostramos que esses novos materiais podem ser regenerados com vapor de baixa qualidade para uso repetido , fornecendo um caminho para uma solução viável para captura de carbono em escala ".

As emissões de dióxido de carbono por veículos que queimam combustíveis fósseis, usinas geradoras de eletricidade e indústria respondem por cerca de 65% dos gases de efeito estufa que impulsionam as mudanças climáticas, que já aumentam a temperatura média da Terra em 1,8 graus Fahrenheit (1 grau Celsius) desde o século XIX. Sem uma redução nessas emissões, os cientistas climáticos prevêem temperaturas cada vez mais quentes, tempestades mais erráticas e violentas, vários metros de elevação do nível do mar e secas, inundações, incêndios, fome e conflitos resultantes.

"Na realidade, dos tipos de coisas que o Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas diz que precisamos fazer para controlar o aquecimento global, a captura de CO 2 é uma parte enorme", afirmou Long. "Nós não temos um uso para a maior parte do CO 2 que precisamos parar de emitir, mas temos que fazê-lo."

Decapagem

Atualmente, as usinas retiram CO 2 das emissões de combustão ao borbulharem gases de combustão através de aminas orgânicas na água, que ligam e extraem o dióxido de carbono. O líquido é então aquecido a 120-150 C (250-300 F) para liberar o gás CO 2 , após o qual os líquidos são reutilizados. Todo o processo consome cerca de 30% da energia gerada. Sequestrar o CO 2 subterrâneo capturado custa uma fração adicional, embora pequena, disso.

Seis anos atrás, Long e seu grupo no Centro de Separações de Gás da UC Berkeley, financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, descobriram um MOF quimicamente modificado que captura rapidamente CO 2 de emissões concentradas de combustão da usina, reduzindo potencialmente o custo de captura pela metade . Eles adicionaram moléculas de diamina a um MOF à base de magnésio para catalisar a formação de cadeias poliméricas de CO 2 que poderiam ser purgadas lavando com uma corrente úmida de dióxido de carbono .

Como os MOFs são muito porosos, neste caso, como um favo de mel, uma quantidade do peso de um clipe de papel tem uma área de superfície interna igual à de um campo de futebol, todos disponíveis para adsorver gases.

Uma grande vantagem dos MOFs anexados a amina é que as aminas podem ser ajustadas para capturar CO 2 em diferentes concentrações, variando de 12% a 15% típico das emissões de usinas de carvão a 4% típicos de usinas de gás natural, ou mesmo a concentrações muito mais baixas no ar ambiente. A Mosaic Materials, que Long cofundou e dirigiu, foi criada para tornar essa técnica amplamente disponível para usinas de energia e industriais.

Mas o fluxo de 180 C de água e CO 2 necessário para liberar o CO 2 capturado acaba expulsando as moléculas de diamina, diminuindo a vida útil do material. A nova versão usa quatro moléculas de amina - uma tetraamina - que é muito mais estável a altas temperaturas e na presença de vapor.

"As tetraaminas estão tão fortemente ligadas ao MOF que podemos usar um fluxo muito concentrado de vapor de água com zero CO 2 , e se você tentar com os adsorventes anteriores, o vapor começará a destruir o material", disse Long.

Eles mostraram que o contacto directo com vapor a 110-120 C-um pouco acima do ponto de ebulição da água-trabalha bem para expulsar o CO 2 . O vapor a essa temperatura está prontamente disponível nas usinas de gás natural, enquanto a mistura de água de 180 C CO 2 necessária para regenerar o MOF modificado anteriormente exigia aquecimento, o que desperdiça energia.

Quando Long, Weston e seus colegas pensaram pela primeira vez em substituir as diaminas por tetraaminas mais duras, parecia um tiro no escuro. Mas as estruturas cristalinas dos MOFs contendo diamina sugeriram que poderia haver maneiras de conectar duas diaminas para formar uma tetraamina, preservando a capacidade do material de polimerizar CO 2 . Quando o estudante de pós-graduação da UC Berkeley Eugene Kim, o primeiro autor do artigo, criou quimicamente o MOF anexado à tetraamina, ele superou o MOF anexado à diamina na primeira tentativa.

Os pesquisadores estudaram posteriormente a estrutura do MOF modificado usando a Fonte de Luz Avançada do Berkeley Lab, revelando que os polímeros de CO 2 que revestem os poros do MOF são realmente ligados pelas tetraaminas, como uma escada com tetraaminas como degraus. Os cálculos da teoria funcional da densidade dos primeiros princípios usando o supercomputador Cori no NERSC (Centro Nacional de Computação Científica em Pesquisa Energética da Berkeley Lab), recursos computacionais na Molecular Foundry e recursos fornecidos pelo programa Berkeley Research Computing do campus confirmaram essa estrutura notável que a equipe de Long inicialmente havia previsto. .

"Eu faço pesquisas na Cal há 23 anos, e esse é um daqueles momentos em que você teve uma ideia maluca e funcionou imediatamente", disse Long.

Os coautores de Long, Kim e Weston são Joseph Falkowski da ExxonMobil; Rebecca Siegelman, Henry Jiang, Alexander Forse, Jeffrey Martell, Phillip Milner, Jeffrey Reimer e Jeffrey Neaton da UC Berkeley; e Jung-Hoon Lee, do Berkeley Lab. Neaton e Reimer também são cientistas seniores do Berkeley Lab.

 

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