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Pesquisadores criaram um novo material híbrido contendo carbonato de sódio e nanocarbono para capturar dióxido de carbono de emissões industriais. Eles descobriram que ele demonstra uma alta capacidade de captura de CO2 que dura 10 ciclos de regeneração a uma temperatura baixa de cerca de 80 °C. Crédito: thewritingzone
Cientistas desenvolveram um nanocompósito de carbono usando carbonato de sódio que melhora significativamente o dióxido de carbono das emissões industriais.
As emissões industriais são uma das principais fontes de dióxido de carbono (CO2), o principal gás de efeito estufa implicado nas mudanças climáticas. Embora adotar alternativas de energia limpa e renovável seja uma opção para mitigar essas emissões de carbono, a tecnologia de captura de carbono é outra solução para controlar as emissões de CO2.
Em grandes indústrias emissoras de CO2, como cimento, refinarias de petróleo e usinas termelétricas, a tecnologia de captura de carbono pode ser facilmente aplicada para remover emissões de CO2 diretamente na fonte a um custo viável e com baixo consumo de energia. Diferentes materiais foram explorados para captura de CO2 em fábricas, incluindo zeólitas, estruturas metal-orgânicas, minerais naturais, álcalis e sais de metais alcalinos. Entre eles, carbonatos de metais alcalinos, como carbonato de sódio (Na2CO3), são considerados materiais eficazes e baratos com propriedades estáveis e fácil aquisição.
Melhorando Na2CO3 com esqueletos de carbono
Teoricamente, o Na2CO3 tem uma capacidade de captura de CO2 decente e pode ser facilmente regenerado para usos sucessivos. No entanto, a aplicação direta de Na2CO3 para capturar CO2 causa aglomeração de cristais, levando a baixa eficiência e menor longevidade. Esse problema pode ser eliminado usando um esqueleto de carbono para Na2CO3. Materiais de carbono porosos com boa conectividade de poros fornecem baixa densidade, estabilidade estrutural, hidrofobicidade e uma grande área de superfície que pode estabilizar o Na2CO3.
Estudos anteriores relatam que nanocompósitos de Na2CO3−carbono têm uma capacidade de captura de CO2 de 5,2 mmol/g. No entanto, esses estudos não inspecionam o efeito das temperaturas de carbonização no desempenho geral do material.
Otimizando a captura de CO2 por meio da carbonização
Portanto, em um novo estudo publicado em Energia e Combustíveis em 12 de junho de 2024, o professor Hirofumi Kanoh e Bo Zhang da Graduate School of Science, Chiba University, sintetizaram um material híbrido de captura de CO2 consistindo de Na2CO3 envolto em nanocarbono poroso. Eles avaliaram ainda mais suas eficiências de captura e regeneração de CO2 em diferentes temperaturas de carbonização. Os híbridos Na2CO3-carbono (NaCH) foram derivados pela carbonização de tereftalato dissódico em temperaturas variando de 873 K a 973 K na presença de nitrogênio como gás protetor. “Reduzir as emissões de CO2 é uma questão urgente, mas ainda faltam pesquisas sobre os métodos e sistemas de materiais para captura de CO2. Este sistema híbrido Na2CO3-carbono provou ser promissor em nossas investigações iniciais, o que nos levou a explorá-lo mais a fundo”, afirma o Prof. Kanoh.
Avanços no desempenho de híbridos de NaCH
A equipe mediu a capacidade de captura de CO2 dos materiais híbridos sob condições úmidas para imitar as condições dos gases de exaustão de resíduos de fábrica. Eles descobriram que os híbridos de NaCH preparados em temperaturas de carbonização próximas a 913–943 K demonstraram maiores capacidades de captura de CO2. Entre eles, o NaCH-923 teve a maior capacidade de captura de CO2 de 6,25 mmol/g e um alto teor de carbono de mais de 40%, o que resultou em uma área de superfície maior, permitindo uma distribuição mais uniforme de Na2CO3 na superfície do nanocarbono. Isso reduziu a taxa de aglomeração de cristais de Na2CO3 e levou a taxas de reação mais rápidas.
Após o NaCH-923 capturar CO2 efetivamente, os cientistas aqueceram novamente o NaCH-923-CO2 resultante na presença de nitrogênio para testar seu desempenho de regeneração. Eles descobriram que o NaCH-923 poderia ser regenerado e usado para captura de CO2 por 10 ciclos, mantendo mais de 95% de sua capacidade inicial de captura de CO2. Esses resultados indicam que o NaCH-923 exibe boa resistência estrutural, durabilidade e regeneração, o que o torna um excelente material para captura de CO2 em condições úmidas.
Aplicações e implicações do NaCH-923
Outros experimentos com o NaCH-923-CO2 mostraram que a amostra sofreu uma mudança de massa acentuada a 326−373 K (em torno de 80 °C em média). Como a temperatura do gás de exaustão de usinas termelétricas também está tipicamente nessa faixa, o calor residual de fábricas e usinas de energia pode ser facilmente usado como uma fonte de calor para regenerar o NaCH-923, reduzindo assim efetivamente o consumo de energia.
Essas descobertas mostram que a temperatura de carbonização influencia significativamente o desempenho de captura de CO2 e o conteúdo de carbono dos híbridos de NaCH, com NaCH-923 exibindo as melhores características. NaCH-923, sendo um adsorvente sólido, pode capturar CO2 eficientemente em temperatura e pressão ambiente com alta seletividade para CO2 e sem o problema de corrosão do equipamento que existe com adsorventes líquidos atualmente usados em indústrias. Além disso, essas características permitem sua ampla aplicação em várias configurações, ambientes e diversos cenários industriais.
Conclusão e Perspectivas Futuras
“Ao transformar Na2CO3, que já tem uma boa capacidade de captura de CO2, em um nanocompósito, tornou-se possível melhorar a taxa de reação e reduzir a temperatura de decomposição e regeneração. Isso permite o uso do calor residual da fábrica para regeneração em torno de 80 °C, nos dando um sistema de captura de CO2 com custo de energia eficiente”, conclui o Prof. Kanoh.
Referência: “Material híbrido de carbonato de sódio e carbono para captura de CO2 de baixo consumo de energia” por Bo Zhang e Hirofumi Kanoh, 12 de junho de 2024, Energia e Combustíveis.
DOI: 10.1021/acs.energyfuels.4c01232
Hirofumi Kanoh é professor na Graduate School of Science, Chiba University, Japão. Ele lidera o 'Kanoh Lab' ou o Molecular Chemistry Lab no Department of Chemistry. Sua principal especialização em pesquisa é em físico-química com foco na criação e caracterização de novos sólidos nanoporosos. Sua pesquisa visa desenvolver uma nova ciência molecular que pode ajudar a proteger o ambiente da Terra utilizando o nanoespaço em sólidos e criar ciência básica voltada para a compreensão e aplicação de novas funções do nanoespaço e materiais nanoestruturados. Ele tem mais de 300 publicações e mais de 45 patentes no campo da nanoquímica.