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Um grande avanço na tecnologia de captura de carbono pode fornecer uma maneira eficiente e barata para as usinas de gás natural removerem o dióxido de carbono de suas emissões de combustão, um passo necessário na redução das emissões de gases de efeito estufa para desacelerar o aquecimento global e as mudanças climáticas.
Desenvolvido por pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory e ExxonMobil, a nova técnica usa um material altamente poroso denominado estrutura metal-orgânica, ou MOF, modificado com moléculas de amina contendo nitrogênio para capturar o CO 2 e vapor de baixa temperatura para liberar o CO 2 para outros usos ou para sequestrá-lo no subsolo.
Em experimentos, a técnica apresentou capacidade seis vezes maior de remoção de CO 2 do gás de combustão do que a atual tecnologia à base de amina, e era altamente seletivo, capturando mais de 90% do CO 2 emitido. O processo usa vapor de baixa temperatura para regenerar o MOF para uso repetido, o que significa que menos energia é necessária para a captura de carbono.
"Para CO 2 capturar, decapagem a vapor - onde você usa o contato direto com o vapor para retirar o CO 2 - tem sido uma espécie de Santo Graal para o campo. É visto com razão como a maneira mais barata de fazer isso, "disse o pesquisador sênior Jeffrey Long, Professor de química e de engenharia química e biomolecular da UC Berkeley e cientista sênior do laboratório de Berkeley. "Esses materiais, pelo menos a partir dos experimentos que fizemos até agora, parece muito promissor. "
Porque há pouco mercado para a maioria do CO capturado 2 , as usinas provavelmente bombeariam a maior parte de volta para o solo, ou sequestrá-lo, onde idealmente se transformaria em rocha. O custo de eliminar as emissões teria que ser facilitado por políticas governamentais, como o comércio de carbono ou um imposto sobre o carbono, para incentivar o CO 2 captura e sequestro, algo que muitos países já implementaram.
O trabalho foi financiado pela ExxonMobil, que está trabalhando com o grupo de Berkeley e a start-up da Long, Mosaic Materials Inc., desenvolver, escalonar e testar processos para decapagem de CO 2 das emissões.
Long é o autor sênior de um artigo que descreve a nova técnica que aparecerá na edição de 24 de julho da revista. Ciência .
"Pudemos fazer a descoberta inicial e, por meio de pesquisas e testes, derivar um material que em experimentos de laboratório mostrou o potencial não apenas de capturar CO 2 sob as condições extremas presentes nas emissões de gases de combustão de usinas de gás natural, mas fazer isso sem perda de seletividade, "disse o co-autor Simon Weston, Pesquisador associado sênior e líder do projeto na ExxonMobil Research and Engineering Co. "Mostramos que esses novos materiais podem ser regenerados com vapor de baixa qualidade para uso repetido, fornecendo um caminho para uma solução viável para captura de carbono em escala. "
Emissões de dióxido de carbono por veículos movidos a combustíveis fósseis, as usinas de geração de eletricidade e a indústria são responsáveis por cerca de 65% dos gases de efeito estufa que causam as mudanças climáticas, que já aumentou a temperatura média da Terra em 1,8 graus Fahrenheit (1 grau Celsius) desde o século XIX. Sem uma diminuição dessas emissões, cientistas do clima prevêem temperaturas cada vez mais quentes, tempestades mais erráticas e violentas, vários metros de elevação do nível do mar e secas resultantes, inundações, incêndios, fome e conflito.
"Na realidade, dos tipos de coisas que o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas diz que precisamos fazer para controlar o aquecimento global, CO 2 captura é uma grande parte, "Long disse." Não temos um uso para a maior parte do CO 2 que precisamos parar de emitir, mas temos que fazer isso. "
Stripping
Usinas de energia tiram CO 2 das emissões de combustão hoje, borbulhando gases de combustão por meio de aminas orgânicas na água, que se ligam e extraem o dióxido de carbono. O líquido é então aquecido a 120-150 C (250-300 F) para liberar o CO 2 gás, após o qual os líquidos são reutilizados. Todo o processo consome cerca de 30% da energia gerada. Sequestrando o CO capturado 2 subterrâneo custa um adicional, embora pequeno, fração disso.
Seis anos atrás, Long e seu grupo no Centro de Separações de Gás da UC Berkeley, que é financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, descobriram um MOF quimicamente modificado que prontamente captura CO 2 das emissões de combustão da usina de energia concentrada, potencialmente reduzindo o custo de captura pela metade. Eles adicionaram moléculas de diamina a um MOF à base de magnésio para catalisar a formação de cadeias poliméricas de CO 2 que poderia então ser purgado com um jato úmido de dióxido de carbono.
Como os MOFs são muito porosos, neste caso, como um favo de mel, uma quantidade do peso de um clipe de papel tem uma área de superfície interna igual à de um campo de futebol, todos disponíveis para adsorver gases.
Uma grande vantagem dos MOFs com amina é que as aminas podem ser ajustadas para capturar CO 2 em diferentes concentrações, variando de 12% a 15% típico de emissões de usinas de carvão até 4% típico de usinas de gás natural, ou mesmo as concentrações muito mais baixas no ar ambiente. Materiais do Mosaico, que Long co-fundou e dirige, foi criado para tornar essa técnica amplamente disponível para usinas de energia e industriais.
Mas o fluxo de 180 C de água e CO 2 precisava liberar o CO capturado 2 eventualmente expulsa as moléculas de diamina, encurtando a vida útil do material. A nova versão usa quatro moléculas de amina - uma tetramina - que é muito mais estável em altas temperaturas e na presença de vapor.
"As tetraaminas estão tão fortemente ligadas ao MOF que podemos usar um fluxo muito concentrado de vapor d'água com zero de CO 2 , e se você tentou isso com os adsorventes anteriores, o vapor começaria a destruir o material, "Long disse.
Eles mostraram que o contato direto com o vapor a 110-120 C - um pouco acima do ponto de ebulição da água - funciona bem para eliminar o CO 2 . O vapor a essa temperatura está prontamente disponível em usinas de gás natural, enquanto o 180 C CO 2 - mistura de água necessária para regenerar o MOF modificado anteriormente necessitava de aquecimento, que desperdiça energia.
Quando Longo, Weston e seus colegas pensaram primeiro em substituir as diaminas por tetraaminas mais resistentes, parecia um tiro longo. Mas as estruturas cristalinas dos MOFs contendo diamina sugeriram que poderia haver maneiras de conectar duas diaminas para formar uma tetramina enquanto preservava a capacidade do material de polimerizar CO 2 . Quando o estudante de graduação da UC Berkeley, Eugene Kim, o primeiro autor do artigo, criou quimicamente o MOF apenso à tetraamina, ele superou o MOF com adição de diamina na primeira tentativa.
Os pesquisadores posteriormente estudaram a estrutura do MOF modificado usando a fonte de luz avançada do Berkeley Lab, revelando que o CO 2 polímeros que revestem os poros do MOF são, na verdade, ligados pelas tetraminas, como uma escada com tetra-aminas como degraus. Cálculos de teoria funcional de densidade de primeiros princípios usando o supercomputador Cori no Centro de Computação Científica de Pesquisa Energética Nacional (NERSC) do Berkeley Lab, recursos de computação na Fundição Molecular e recursos fornecidos pelo programa Berkeley Research Computing do campus confirmaram essa estrutura notável que a equipe de Long havia inicialmente imaginado.
"Venho fazendo pesquisas na Cal há 23 anos, e este é um daqueles momentos em que você tem o que parecia uma ideia maluca, e funcionou imediatamente, "Long disse.
Co-autores com Long, Kim e Weston são Joseph Falkowski da ExxonMobil; Rebecca Siegelman, Henry Jiang, Alexander Forse, Jeffrey Martell, Phillip Milner, Jeffrey Reimer e Jeffrey Neaton da UC Berkeley; e Jung-Hoon Lee do Berkeley Lab. Neaton e Reimer também são cientistas seniores do corpo docente do Berkeley Lab.
