Tecnologia Científica

Uma membrana controla¡vel para puxar o dia³xido de carbono dos fluxos de exaustão
O sistema eletricamente comuta¡vel pode separar gases continuamente sem a necessidade de pea§as ma³veis ou espaço desperdia§ado.
Por David L. Chandler - 23/10/2020


Adireita estãouma membrana porosa de a³xido de aluma­nio anodizado. O lado esquerdo mostra a mesma membrana após revesti-la com uma fina camada de ouro, tornando a membrana condutora para gating de gás eletroqua­mico. Créditos:Imagem: Felice Frankel

Um novo sistema desenvolvido por engenheiros químicos do MIT poderia fornecer uma maneira de remover continuamente o dia³xido de carbono de um fluxo de gases residuais, ou mesmo do ar. O principal componente éuma membrana eletroquimicamente assistida cuja permeabilidade ao gás pode ser ligada e desligada a  vontade, sem usar partes ma³veis e com relativamente pouca energia.

As próprias membranas, feitas de a³xido de aluma­nio anodizado, tem uma estrutura semelhante a um favo de mel composta por aberturas hexagonais que permitem que as moléculas de gás fluam para dentro e para fora quando no estado aberto. No entanto, a passagem do gás pode ser bloqueada quando uma fina camada de metal éeletricamente depositada para cobrir os poros da membrana. O trabalho édescrito hoje na revista Science Advances , em um artigo do Professor T. Alan Hatton, pa³s-doutorado Yayuan Liu e quatro outros.

Este novo mecanismo de "passagem de gás" pode ser aplicado a  remoção conta­nua de dia³xido de carbono de uma variedade de fluxos de exaustão industrial e do ar ambiente, diz a equipe. Eles construa­ram um dispositivo de prova de conceito para mostrar esse processo em ação.

O dispositivo usa um material absorvedor de carbono redox ativo, imprensado entre duas membranas de gás comuta¡veis. O sorvente e as membranas de passagem estãoem contato pra³ximo um com o outro e são imersos em um eletra³lito orga¢nico para fornecer um meio para os a­ons de zinco se moverem para frente e para trás. Essas duas membranas de passagem podem ser abertas ou fechadas eletricamente, trocando-se a polaridade de uma voltagem entre elas, fazendo com que a­ons de zinco se movam de um lado para o outro. Os a­ons bloqueiam simultaneamente um lado, formando uma pela­cula meta¡lica sobre ele, enquanto abrem o outro, dissolvendo sua pela­cula.

Quando a camada absorvente éaberta para o lado por onde os gases residuais estãofluindo, o material absorve prontamente o dia³xido de carbono atéatingir sua capacidade. A voltagem pode então ser trocada para bloquear o lado da alimentação e abrir o outro lado, onde um fluxo concentrado de dia³xido de carbono quase puro éliberado.

“Estamos muito entusiasmados com o mecanismo de bloqueio. Acho que podemos usa¡-lo em uma variedade de aplicações, em diferentes configurações ”, diz ele. “Talvez em dispositivos microflua­dicos, ou talvez pudanãssemos usa¡-lo para controlar a composição do gás para uma reação química. Existem muitas possibilidades diferentes. ”


Ao construir um sistema com seções alternadas de membrana que operam em fases opostas, o sistema permitiria a operação conta­nua em um ambiente como um depurador industrial. A qualquer momento, metade das seções estaria absorvendo o gás enquanto a outra metade o estaria liberando.

“Isso significa que vocêtem um fluxo de alimentação entrando no sistema em uma extremidade e o fluxo de produto saindo da outra em uma operação aparentemente conta­nua”, diz Hatton. “Essa abordagem evita muitos problemas de processo” que estariam envolvidos em um sistema tradicional de várias colunas, no qual leitos de adsorção alternadamente precisam ser desligados, purgados e regenerados, antes de serem expostos novamente ao gás de alimentação para iniciar o pra³ximo ciclo de adsorção. No novo sistema, as etapas de purga não são necessa¡rias e todas ocorrem de forma limpa dentro da própria unidade.

A principal inovação dos pesquisadores foi usar a galvanoplastia como uma forma de abrir e fechar os poros de um material. Ao longo do caminho, a equipe tentou uma variedade de outras abordagens para fechar reversivelmente poros em um material de membrana, como o uso de pequenas esferas magnanãticas que poderiam ser posicionadas para bloquear aberturas em forma de funil, mas esses outros manãtodos não se mostraram eficientes o suficiente. . Filmes finos de metal podem ser particularmente eficazes como barreiras de gás, e a camada ultrafina usada no novo sistema requer uma quantidade ma­nima de material de zinco, que éabundante e barato.

“Faz uma camada de revestimento muito uniforme com uma quantidade ma­nima de materiais”, diz Liu. Uma vantagem significativa do manãtodo de galvanoplastia éque uma vez que a condição éalterada, seja na posição aberta ou fechada, não requer entrada de energia para manter esse estado. A energia são énecessa¡ria para voltar novamente.

Potencialmente, tal sistema poderia dar uma contribuição importante para limitar as emissaµes de gases de efeito estufa na atmosfera, e atémesmo a captura direta de dia³xido de carbono que já foi emitido.

Embora o foco inicial da equipe fosse o desafio de separar o dia³xido de carbono de uma corrente de gases, o sistema poderia realmente ser adaptado a uma ampla variedade de processos de separação e purificação química, diz Hatton.

“Estamos muito entusiasmados com o mecanismo de bloqueio. Acho que podemos usa¡-lo em uma variedade de aplicações, em diferentes configurações ”, diz ele. “Talvez em dispositivos microflua­dicos, ou talvez pudanãssemos usa¡-lo para controlar a composição do gás para uma reação química. Existem muitas possibilidades diferentes. ”

A equipe de pesquisa incluiu o estudante de graduação Chun-Man Chow, a pa³s-doutora Katherine Phillips e os recanãm-formados Miao Wang PhD '20 e Sahag Voskian PhD '19. Este trabalho foi apoiado pela ExxonMobil por meio da MIT Energy Initiative.

 

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