Cientistas e pesquisadores do mundo todo exploram incansavelmente métodos para aproveitar o dióxido de carbono da atmosfera ou das emissões de usinas de energia e transformá-lo em um recurso valioso. Nesse contexto, engenheiros do MIT e de Harvard transformaram CO2 em um combustível eficiente capaz de substituir os combustíveis fósseis em diversas aplicações. Os métodos de conversão anteriores enfrentavam desafios como baixa eficiência de carbono e a produção de combustíveis perigosos. Espera-se que o novo processo seja mais eficiente em larga escala.
Pesquisadores do MIT e da Universidade de Harvard fizeram uma descoberta significativa ao criar um processo eficiente capaz de transformar dióxido de carbono em formiato. Essa conquista notável abre caminho para a utilização do formiato como um material versátil, em forma líquida ou sólida, que pode ser usado como metanol ou hidrogênio em células de combustível e para gerar eletricidade.
O novo processo foi desenvolvido pela equipe de estudantes de doutorado do MIT, Alexander H. Quinn , Zhen Zhang e Zhichu Ren, juntamente com Dawei Xi, um estudante da Universidade de Harvard, e o professor do MIT Ju Li.
O formiato de sódio, ou popularmente conhecido como formiato de potássio, já é produzido em escala industrial. É mais comumente usado como descongelante para calçadas e estradas. É não inflamável e não tóxico, além de ser fácil de armazenar e transportar. Ademais, possui a capacidade de permanecer estável em tanques de aço comuns, de onde pode ser utilizado por meses. Às vezes, o material é utilizado mesmo anos após sua produção.
Sobre o Processo
Todo o processo consiste na captura e conversão eletroquímica do gás em um pó sólido de formiato. Em pequena escala, em laboratório, a equipe demonstrou o processo em que esse pó foi transferido para uma célula de combustível para gerar eletricidade.
Segundo o Professor Li, outras abordagens para converter dióxido de carbono em combustível envolvem um processo de duas etapas. São elas:
- Para capturar e converter o gás em carbonato de cálcio, uma forma sólida. Então, mais tarde, o material é aquecido e, neste processo, o dióxido de carbono é removido. Depois disso, ele é convertido em uma matéria-prima de combustível, como o monóxido de carbono.
- O segundo passo não é muito eficiente. Ele geralmente converte menos de 20% do dióxido de carbono gasoso no produto desejado.
A captura e conversão de carbono é um processo que começa com a captura de dióxido de carbono usando uma solução alcalina. Essa solução concentra o dióxido de carbono proveniente de diferentes fontes, como usinas de energia ou mesmo do ar, transformando-o em bicarbonato de metal líquido.
Por meio da utilização de um eletrolisador de membrana de troca catiônica, o bicarbonato é transformado eletroquimicamente em cristais sólidos de formato. A eficiência de carbono superior a 96% foi validada por meio de rigorosos experimentos em escala laboratorial conduzidos pela equipe.
Segundo o Professor Li, os cristais não têm prazo de validade e podem ser armazenados por muitos anos sem qualquer perda. Em contrapartida, mesmo os melhores tanques de armazenamento de hidrogênio disponíveis atualmente permitem vazamentos de gás a uma taxa de cerca de 1% ao dia. Isso impossibilita seu uso para armazenamento a longo prazo.
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Alta taxa de conversão
Em contraste, o novo processo atinge uma taxa de conversão superior a 90% , superando o método anterior. Além disso, elimina a necessidade da etapa de aquecimento ineficiente, transformando o dióxido de carbono em uma forma intermediária altamente eficiente conhecida como bicarbonato de metal líquido.
O líquido é posteriormente transformado em formiato de potássio ou sódio líquido por meio de conversão eletroquímica em um eletrolisador alimentado por eletricidade de baixo carbono, como energia nuclear, eólica ou solar.
Diferentes formas de formato
Segundo o Prof. Li, a solução de formiato de potássio ou sódio, altamente concentrada, pode ser posteriormente seca para criar um pó sólido. Esse processo pode ser realizado por meio de métodos como a evaporação solar . O pó resultante é excepcionalmente estável e pode ser armazenado com segurança em tanques de aço padrão por longos períodos, que podem durar anos ou até décadas.
Engenheiros do MIT e de Harvard transformaram CO2 em combustível eficiente, e o sucesso desse processo inspirou os pesquisadores a torná-lo escalável para que possa produzir calor sem emissões, além de abastecer residências individuais. Além disso, pode ser usado em operações em escala de rede elétrica ou em indústrias.
De acordo com o Professor Li, o desenvolvimento de inúmeras técnicas de otimização pela equipe desempenhou um papel fundamental na transformação de um processo de conversão química ineficaz em uma solução viável. O Prof. Li, que ocupa cargos nos departamentos de Ciência e Engenharia Nuclear e Ciência e Engenharia de Materiais, enfatiza o impacto significativo alcançado por meio dessas etapas de otimização.
Posteriormente, quando necessário, o pó sólido seria misturado com água e introduzido em uma célula de combustível com o objetivo de fornecer energia e calor. "Isso é para demonstrações em comunidades ou residências, mas acreditamos que, no futuro, também poderá ser útil para fábricas ou para a rede elétrica", disse Zhang.
Embora o metanol seja uma substância tóxica que apresenta desafios em termos de segurança, o formato surge como uma alternativa viável e mais segura para transformar dióxido de carbono em combustível adequado para células a combustível. As normas nacionais de segurança reconhecem o formato como uma opção amplamente utilizada e inofensiva , proporcionando uma solução confiável sem comprometer o bem-estar das pessoas em casos de potencial vazamento.
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Passos que levam ao sucesso
A eficiência desse processo melhorou muito devido a diversas melhorias.
- Em primeiro lugar, um projeto bem pensado dos materiais da membrana e seu arranjo resolveram um problema enfrentado por tentativas anteriores deste sistema.
- Nesses casos, o acúmulo de subprodutos químicos específicos alteraria o pH, resultando em um declínio gradual na eficiência ao longo do tempo.
Zhang afirma: “Tradicionalmente, é difícil alcançar uma conversão contínua, estável e de longo prazo das matérias-primas. A chave do nosso sistema é atingir um equilíbrio de pH para uma conversão em estado estacionário.”
Para alcançar esse objetivo , os pesquisadores realizaram modelagem termodinâmica a fim de desenvolver um novo processo que mantenha o equilíbrio químico e um pH estável, sem flutuações de acidez. Dessa forma, o sistema pode operar com eficiência ideal por períodos prolongados.
O sistema foi testado por mais de 200 horas e a produção não diminuiu significativamente. O processo pode ser realizado em temperaturas ambientes e pressões relativamente baixas, cerca de cinco vezes a pressão atmosférica.
Um problema adicional era a produção de subprodutos químicos que não eram úteis devido a reações colaterais indesejadas. No entanto, a equipe resolveu esse problema introduzindo uma camada extra, feita de lã de fibra de vidro enriquecida com bicarbonato, que preveniu essas reações.
Além disso, a equipe desenvolveu uma célula de combustível projetada especificamente para utilizar esse combustível de formato de forma eficiente para a geração de eletricidade. As partículas de formato armazenadas são facilmente dissolvidas em água e, em seguida, injetadas na célula de combustível sempre que necessário.
Segundo Li, embora o combustível sólido seja significativamente mais pesado que o hidrogênio puro, quando levamos em consideração o peso e o tamanho dos tanques de gás de alta pressão necessários para armazenar o hidrogênio, o resultado geral é uma produção de eletricidade quase igual para um determinado volume de armazenamento.
Várias aplicações potenciais do formato
Segundo os pesquisadores, o combustível de formato tem potencial para ser adaptado a uma ampla gama de finalidades, desde pequenas unidades domésticas até grandes aplicações industriais ou sistemas de armazenamento em escala de rede. Em nível doméstico, uma unidade eletrolítica do tamanho de uma geladeira poderia ser usada para capturar e converter dióxido de carbono em formato, que pode então ser armazenado em um tanque subterrâneo ou no telhado.
Engenheiros do MIT e de Harvard transformaram CO2 em combustível eficiente e Ted Sargent , professor de química e de engenharia elétrica e da computação da Universidade Northwestern, que não participa deste estudo, afirmou: “A economia do formato é um conceito intrigante porque os sais de formato metálico são muito benignos e estáveis, além de serem um vetor energético atraente. Os autores demonstraram maior eficiência na conversão líquido-líquido de bicarbonato em formato e mostraram que esses combustíveis podem ser usados posteriormente para gerar eletricidade.”
