Tecnologia Científica

Uma membrana controlável para puxar o dióxido de carbono dos fluxos de exaustão
O sistema eletricamente comutável pode separar gases continuamente sem a necessidade de peças móveis ou espaço desperdiçado.
Por David L. Chandler - 23/10/2020


À direita está uma membrana porosa de óxido de alumínio 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 eletroquímico. Créditos:Imagem: Felice Frankel

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

As próprias membranas, feitas de óxido de alumínio anodizado, têm 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 é eletricamente depositada para cobrir os poros da membrana. O trabalho é descrito hoje na revista Science Advances , em um artigo do Professor T. Alan Hatton, pós-doutorado Yayuan Liu e quatro outros.

Este novo mecanismo de "passagem de gás" pode ser aplicado à remoção contínua de dióxido de carbono de uma variedade de fluxos de exaustão industrial e do ar ambiente, diz a equipe. Eles construíram 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 comutáveis. O sorvente e as membranas de passagem estão em contato próximo um com o outro e são imersos em um eletrólito orgânico para fornecer um meio para os íons 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 íons de zinco se movam de um lado para o outro. Os íons bloqueiam simultaneamente um lado, formando uma película metálica sobre ele, enquanto abrem o outro, dissolvendo sua película.

Quando a camada absorvente é aberta para o lado por onde os gases residuais estão fluindo, o material absorve prontamente o dióxido de carbono até atingir sua capacidade. A voltagem pode então ser trocada para bloquear o lado da alimentação e abrir o outro lado, onde um fluxo concentrado de dióxido de carbono quase puro é liberado.

“Estamos muito entusiasmados com o mecanismo de bloqueio. Acho que podemos usá-lo em uma variedade de aplicações, em diferentes configurações ”, diz ele. “Talvez em dispositivos microfluídicos, ou talvez pudéssemos usá-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 contínua 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 você tem um fluxo de alimentação entrando no sistema em uma extremidade e o fluxo de produto saindo da outra em uma operação aparentemente contínua”, 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 próximo ciclo de adsorção. No novo sistema, as etapas de purga não são necessárias 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 magnéticas que poderiam ser posicionadas para bloquear aberturas em forma de funil, mas esses outros métodos 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 mínima de material de zinco, que é abundante e barato.

“Faz uma camada de revestimento muito uniforme com uma quantidade mínima de materiais”, diz Liu. Uma vantagem significativa do método de galvanoplastia é que uma vez que a condição é alterada, seja na posição aberta ou fechada, não requer entrada de energia para manter esse estado. A energia só é necessária para voltar novamente.

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

Embora o foco inicial da equipe fosse o desafio de separar o dióxido 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 usá-lo em uma variedade de aplicações, em diferentes configurações ”, diz ele. “Talvez em dispositivos microfluídicos, ou talvez pudéssemos usá-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 pós-doutora Katherine Phillips e os recém-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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