A remoção eficiente de dióxido de carbono da atmosfera é frequentemente vista como uma necessidade crucial para o combate às mudanças climáticas, mas os sistemas de remoção de dióxido de carbono sofrem com um dilema. Compostos químicos que removem CO₂ do ar com eficiência não o liberam facilmente após serem capturados, e compostos que liberam CO₂ com eficiência não são muito eficientes em capturá-lo. Otimizar uma parte do ciclo tende a piorar a outra.
Agora, usando membranas de filtragem em nanoescala, pesquisadores do MIT adicionaram uma etapa intermediária simples que facilita ambas as partes do ciclo. A nova abordagem pode aumentar a eficiência da captura e liberação eletroquímica de dióxido de carbono em seis vezes e reduzir custos em pelo menos 20%, afirmam. As novas descobertas foram relatadas no periódico ACS Energy Letters , em um artigo dos alunos de doutorado do MIT Simon Rufer, Tal Joseph e Zara Aamer, e do professor de engenharia mecânica Kripa Varanasi.
“Precisamos pensar em escala desde o início quando se trata de captura de carbono, pois causar um impacto significativo exige o processamento de gigatoneladas de CO₂”, diz Varanasi. “Ter essa mentalidade nos ajuda a identificar gargalos críticos e a projetar soluções inovadoras com potencial real de impacto. Essa é a força motriz por trás do nosso trabalho.”
Muitos sistemas de captura de carbono funcionam com substâncias químicas chamadas hidróxidos, que se combinam facilmente com o dióxido de carbono para formar carbonato. Esse carbonato é alimentado em uma célula eletroquímica, onde reage com um ácido para formar água e liberar dióxido de carbono. O processo pode utilizar ar comum com apenas cerca de 400 partes por milhão de dióxido de carbono e gerar um fluxo de dióxido de carbono 100% puro, que pode então ser usado para produzir combustíveis ou outros produtos.
Ambas as etapas de captura e liberação operam na mesma solução aquosa, mas a primeira etapa requer uma solução com alta concentração de íons hidróxido, e a segunda, uma rica em íons carbonato. “É possível perceber como essas duas etapas são conflitantes”, diz Varanasi. Ambas as etapas compartilham a mesma solução química, que circula de um lado para o outro no sistema. “Eles operam exatamente com o mesmo líquido. Mas, como precisam de dois tipos diferentes de líquidos para operar de forma otimizada, é impossível operar ambos os sistemas em seus pontos mais eficientes.”
A solução da equipe foi desacoplar as duas partes do sistema e introduzir uma terceira parte entre elas. Essencialmente, após o hidróxido da primeira etapa ter sido convertido quimicamente em carbonato, membranas especiais de nanofiltração separam os íons na solução com base em suas cargas. Os íons de carbonato têm carga 2, enquanto os íons de hidróxido têm carga 1. “A nanofiltração consegue separar esses dois íons muito bem”, diz Rufer.
Uma vez separados, os íons hidróxido são realimentados para o lado de absorção do sistema, enquanto os carbonatos são enviados para a etapa de liberação eletroquímica. Dessa forma, ambas as extremidades do sistema podem operar em suas faixas mais eficientes. Varanasi explica que, na etapa de liberação eletroquímica, prótons são adicionados ao carbonato para causar a conversão em dióxido de carbono e água, mas se íons hidróxido também estiverem presentes, os prótons reagirão com esses íons, produzindo apenas água.
“Se você não separar esses hidróxidos e carbonatos”, diz Rufer, “o sistema falha ao adicionar prótons ao hidróxido em vez de carbonato, e assim você estará apenas produzindo água em vez de extrair dióxido de carbono. É aí que a eficiência se perde. Usar nanofiltração para evitar isso era algo que não temos conhecimento de ninguém ter proposto antes.” A pesquisa foi apoiada pela Shell International Exploration and Production Inc. por meio da Iniciativa de Energia do MIT e da Fundação Nacional de Ciências dos EUA, e utilizou as instalações do MIT.
Os testes mostraram que a nanofiltração conseguiu separar o carbonato da solução de hidróxido com cerca de 95% de eficiência, validando o conceito em condições realistas, afirma Rufer. O próximo passo foi avaliar o impacto disso na eficiência geral e na economia do processo. Eles criaram um modelo técnico-econômico, incorporando eficiência eletroquímica, voltagem, taxa de absorção, custos de capital, eficiência da nanofiltração e outros fatores.
A análise mostrou que os sistemas atuais custam pelo menos US$ 600 por tonelada de dióxido de carbono capturado, enquanto com a adição do componente de nanofiltração, esse custo cai para cerca de US$ 450 por tonelada. Além disso, o novo sistema é muito mais estável, continuando a operar com alta eficiência mesmo sob variações nas concentrações de íons na solução. “No sistema antigo, sem nanofiltração, você está operando no fio da navalha”, diz Rufer; se a concentração variar, mesmo que ligeiramente, em uma direção ou outra, a eficiência cai drasticamente. “Mas com o nosso sistema de nanofiltração, ele atua como uma espécie de buffer, onde se torna muito mais tolerante. Você tem um regime operacional muito mais amplo e pode obter custos significativamente menores.”
Ele acrescenta que essa abordagem poderia ser aplicada não apenas aos sistemas de captura direta de ar que estudaram especificamente, mas também aos sistemas de fontes pontuais — que são conectados diretamente às fontes de emissão, como as emissões de usinas de energia — ou à próxima etapa do processo, a conversão do dióxido de carbono capturado em produtos úteis, como combustível ou matérias-primas químicas. Esses processos de conversão, afirma ele, “também apresentam gargalos nessa compensação entre carbonato e hidróxido”.
Além disso, essa tecnologia pode levar a alternativas químicas mais seguras para a captura de carbono, afirma Varanasi. “Muitos desses absorventes podem, às vezes, ser tóxicos ou prejudiciais ao meio ambiente. Usando um sistema como o nosso, é possível melhorar a taxa de reação, permitindo a escolha de substâncias químicas que podem não ter a melhor taxa de absorção inicialmente, mas que podem ser aprimoradas para garantir a segurança.”
Varanasi acrescenta que “o mais interessante sobre isso é que conseguimos fazer isso com o que está disponível comercialmente” e com um sistema que pode ser facilmente adaptado às instalações de captura de carbono existentes. Se os custos puderem ser reduzidos ainda mais para cerca de US$ 200 a tonelada, a adoção generalizada poderá ser viável. Com o trabalho em andamento, ele afirma, “estamos confiantes de que teremos algo que poderá se tornar economicamente viável” e que, em última análise, produzirá produtos valiosos e vendáveis.
Rufer observa que, mesmo hoje, “as pessoas estão comprando créditos de carbono a um custo superior a US$ 500 por tonelada. Portanto, com esse custo que projetamos, já é comercialmente viável, pois há alguns compradores dispostos a pagar esse preço”. Mas, ao reduzir ainda mais o preço, isso deve aumentar o número de compradores que considerariam comprar o crédito, afirma. “É apenas uma questão de quão difundidos podemos torná-lo.” Reconhecendo essa crescente demanda do mercado, Varanasi afirma: “Nosso objetivo é fornecer tecnologias e sistemas escaláveis, econômicos e confiáveis para a indústria, que permitam que ela atinja diretamente suas metas de descarbonização.”
