O pesquisador do Sandia National Laboratories e professor da Universidade do Novo México, Jeff Brinker, liderou o trabalho para desenvolver a memzima barata capaz de livrar a fumaça do carvão do dióxido de carbono, o gás de efeito estufa mais prevalente. Crédito:Randy Montoya
Uma membrana de inspiração biológica destinada a limpar quase completamente o dióxido de carbono da fumaça das usinas termelétricas a carvão foi desenvolvida por cientistas do Laboratório Nacional Sandia e da Universidade do Novo México.
O trabalho patenteado, relatado recentemente em Nature Communications , interessou empresas de energia e energia que gostariam de reduzir significativamente e de forma econômica as emissões de dióxido de carbono, um dos gases de efeito estufa mais difundidos, e explorar outros usos possíveis da invenção.
A memzyme atende aos padrões do Departamento de Energia, capturando 90 por cento da produção de dióxido de carbono da usina a um custo relativamente baixo de US $ 40 por tonelada.
Os pesquisadores chamam a membrana de "memzima" porque ela atua como um filtro, mas é quase saturada com uma enzima, anidrase carbônica, desenvolvido por células vivas ao longo de milhões de anos para ajudar a se livrar do dióxido de carbono com eficiência e rapidez.
"A data, retirar o dióxido de carbono da fumaça tem sido proibitivamente caro usando o sólido, membranas de polímero atualmente disponíveis, "diz Jeff Brinker, um companheiro Sandia, Professor dos regentes da Universidade do Novo México e principal autor do artigo.
"Nosso método barato segue o exemplo da natureza no uso de uma membrana à base de água de apenas 18 nanômetros de espessura que incorpora enzimas naturais para capturar 90 por cento do dióxido de carbono liberado. (Um nanômetro tem cerca de 1/700 do diâmetro de um cabelo humano.) Isso é quase 70% melhor do que os métodos comerciais atuais, e é feito por uma fração do custo. "
As usinas a carvão são uma das maiores produtoras de energia dos Estados Unidos, mas foram criticados por alguns por enviar mais dióxido de carbono para a atmosfera do que qualquer outra forma de geração de energia elétrica. Ainda, queima de carvão na China, A Índia e outros países significam que a abstinência dos EUA por si só não resolverá os problemas climáticos mundiais.
Mas, diz Brinker, "talvez a tecnologia o faça."
A formação do dispositivo começa com um processo de secagem denominado auto-montagem induzida por evaporação, desenvolvido pela primeira vez em Sandia por Brinker há 20 anos e um campo de estudo por direito próprio.
Projeto de membrana líquida enzimática e mecanismo de captura e separação de dióxido de carbono. A membrana Sandia / University of New Mexico é fabricada pela formação de mesoporos de 8 nanômetros de diâmetro. Usando deposição de camada atômica e processamento de plasma de oxigênio, os mesoporos de sílica são projetados para serem hidrofóbicos, exceto para uma região de 18 nm de profundidade na superfície dos poros que é hidrofílica. Por condensação capilar, as enzimas da anidrase carbônica e a água enchem espontaneamente os mesoporos hidrofílicos para formar uma série de enzimas estabilizadas com uma concentração efetiva superior a 10 vezes daquela alcançável em solução. Estes catalisam a captura e dissolução do dióxido de carbono na superfície a montante e a regeneração do dióxido de carbono na superfície a jusante. A alta concentração de enzima e o caminho de difusão curto maximizam a eficiência de captura e o fluxo. Crédito:Sandia National Laboratories
O procedimento cria uma matriz compacta de nanoporos de sílica projetados para acomodar a enzima anidrase carbônica e mantê-la estável. Isso é feito em várias etapas. Primeiro, a matriz, que pode ter 100 nanômetros de comprimento, é tratado com uma técnica chamada deposição de camada atômica para tornar a superfície do nanoporo avessa à água ou hidrofóbica. Isso é seguido por um tratamento com plasma de oxigênio que se sobrepõe à superfície avessa à água para tornar os nanoporos hidrofílicos ou hidrofílicos, mas apenas a uma profundidade de 18 nanômetros. Uma solução da enzima e da água enche-se espontaneamente e é estabilizada na parte dos nanoporos que ama a água. Isso cria membranas de água com 18 nanômetros de espessura, com uma concentração de anidrase carbônica 10 vezes maior do que as soluções aquosas feitas até o momento.
A solução, em casa em sua manga amante da água, é estável. Mas, devido à capacidade da enzima de dissolver rápida e seletivamente o dióxido de carbono, a membrana catalítica tem a capacidade de capturar a esmagadora maioria das moléculas de dióxido de carbono que roçam nela a partir de uma nuvem crescente de fumaça de carvão. As moléculas em forma de gancho passam rapidamente através das membranas, impulsionado unicamente por um gradiente de pressão natural causado pelo grande número de moléculas de dióxido de carbono em um lado da membrana e sua ausência comparativa no outro. O processo químico transforma o gás brevemente em ácido carbônico e depois em bicarbonato antes de sair imediatamente a jusante como gás dióxido de carbono. O gás pode ser colhido com 99% de pureza - tão puro que poderia ser usado por empresas de petróleo para extração de recursos. Outras moléculas passam pela superfície da membrana sem serem perturbadas. A enzima é reutilizável, e porque a água serve como um meio em vez de um ator, não precisa de substituição.
Os nanoporos secam por longos períodos de tempo devido à evaporação. Isso será controlado pelo vapor de água subindo de banhos-maria inferiores já instalados em usinas de energia para reduzir as emissões de enxofre. E, enzimas danificadas pelo uso ao longo do tempo podem ser facilmente substituídas.
Diz Brinker, "A altíssima concentração de anidrase carbônica, junto com a espessura do canal de água, resultar em um fluxo muito alto de dióxido de carbono através da membrana. Quanto maior a concentração de anidrase carbônica, quanto maior o fluxo. Quanto mais fina a membrana, quanto maior o fluxo. "
O arranjo da membrana na chaminé de uma estação geradora seria como o de um conversor catalítico em um carro, sugere Brinker. As membranas ficariam na superfície interna de um tubo organizado como um favo de mel. O gás de combustão fluiria através do tubo embutido na membrana, com um fluxo de gás livre de dióxido de carbono na parte externa dos tubos. Variar o comprimento e o diâmetro do tubo otimizaria o processo de extração de dióxido de carbono.
“Empresas de energia e concessionárias de petróleo e gás manifestaram interesse em otimizar os filtros de gás para condições específicas, "diz Susan Rempe, Sandia pesquisadora e coautora, que sugeriu e desenvolveu a ideia de inserir anidrase carbônica na solução de água para aumentar a velocidade com que o dióxido de carbono poderia ser captado e liberado da membrana. "A enzima pode catalisar a dissolução de um milhão de moléculas de dióxido de carbono por segundo, melhorando muito a velocidade do processo. Com a otimização por setor, a memzyme pode tornar a produção de eletricidade barata e verde, " ela diz.
O processo de separação pode aumentar a quantidade de combustível obtida pela recuperação aprimorada de óleo usando dióxido de carbono injetado nos reservatórios existentes.
Uma enzima ligeiramente diferente, usado no mesmo processo, pode converter metano - um gás de efeito estufa ainda mais potente - em metanol mais solúvel para remoção, ela diz.
A limpeza prévia por purificadores industriais significa que a fumaça que sobe será limpa o suficiente para não prejudicar significativamente a eficiência da membrana, diz o professor da Universidade do Novo México e co-autor do artigo Ying-Bing Jiang, que originou e desenvolveu a ideia de usar membranas aquosas com base nos processos do corpo humano para separar o dióxido de carbono. As membranas operaram com eficiência em ambientes de laboratório por meses.
O procedimento também pode sequestrar dióxido de carbono em uma espaçonave, os autores mencionam, porque as membranas operam em temperaturas ambientes e são acionadas exclusivamente por gradientes químicos.
