Extrair dióxido de carbono diretamente do ar parece, à primeira vista, um processo quase óbvio: entra ar, sai carbono. No entanto, no interior dos enormes sistemas de captura de carbono, a química responsável por esse resultado tem permanecido, em grande parte, fora do alcance dos olhos.
Os cientistas sempre souberam que o mecanismo funcionava. O que lhes escapava era a observação directa da minúscula zona de reacção - o ponto onde o ar e o líquido se encontram e onde ocorre a parte mais determinante da química.
Essa falta de visibilidade tem sido uma fonte de frustração durante anos. Apesar disso, as empresas já estão a avançar com grandes centrais de captura directa do ar, incluindo uma unidade em construção no Texas concebida para remover 500 000 toneladas de CO2 por ano.
Mesmo com a rápida expansão destes projectos, continuava a não existir uma imagem clara do que, de facto, acontecia dentro do líquido de captura.
Agora, investigadores da University of Colorado Boulder afirmam ter finalmente conseguido “abrir a caixa-negra” do processo.
Um olhar mais atento sobre a captura de carbono
A captura directa do ar, frequentemente abreviada como DAC, é uma entre várias tecnologias em desenvolvimento para reduzir a presença de gases com efeito de estufa na atmosfera.
Uma abordagem comum recorre a um líquido altamente alcalino preparado com hidróxido de potássio, também conhecido como lixívia. À medida que o ar atravessa esse líquido, o CO2 reage e transforma-se em compostos de carbonato dissolvidos.
A base química é conhecida há décadas. O que faltava era conseguir vê-la em acção.
Os investigadores conseguiam quantificar o que entrava num sistema e o que saía, mas não tinham como observar directamente a fina região microscópica onde a reacção se desenrolava.
“Este é mesmo um caso de, se queres saber algo, então olha, com muita atenção - e, neste caso, houve trabalho a fazer antes de conseguirmos observar com detalhe”, disse Jason Pfeilsticker, investigador principal do projecto.
Esse detalhe é importante porque pequenas alterações na interface podem influenciar quanto CO2 é capturado, quanta energia o processo consome e quão dispendiosa se torna a operação de uma central.
Uma janela para a captura de carbono
Para resolver o problema, a equipa desenvolveu um dispositivo laboratorial à medida, designado por célula de fluxo. O objectivo era reproduzir o que acontece em sistemas industriais de captura de carbono e, ao mesmo tempo, permitir a monitorização directa e em tempo real da química.
A ideia parece simples até se perceber o que era necessário ultrapassar.
A célula tinha de manter o líquido a circular de forma estável, evitar bolhas que interferissem com medições a laser, resistir a químicos agressivos e continuar suficientemente transparente para varrimentos ópticos detalhados.
O processo exigiu muitos testes e ajustes. “Fizemos, pelo menos, 60 ou 70 iterações desta célula durante o projecto”, afirmou Pfeilsticker.
Ideias vindas de lugares inesperados
Em vez de gastar milhares de dólares em peças maquinadas profissionalmente a cada redesenho, os investigadores optaram por impressão 3D com resina.
Impressoras de plástico comuns não aguentariam a exposição aos reagentes utilizados.
“Identificámos uma resina quimicamente compatível com os reagentes básicos que estávamos a usar e encontrámos online uma impressora 3D de resina barata, que nos permitiu fazer um trabalho inicial de prova de conceito; depois passámos para uma impressora 3D melhor para o projecto e, a partir daí, já conseguíamos imprimir iterações por menos de um dólar”, disse Jason.
Essa escolha acelerou o desenvolvimento de forma significativa. A equipa também foi buscar soluções a áreas improváveis.
Alguns métodos de vedação foram inspirados em desenhos de peles de tambor. As formas dos canais foram ajustadas para reduzir a formação de bolhas e manter o escoamento do líquido mais regular.
O que os cientistas realmente observaram
Para analisar a reacção, os investigadores recorreram à espectroscopia Raman confocal. A técnica dispara um laser para o interior do líquido e interpreta a luz dispersa.
Como diferentes substâncias dispersam luz de formas distintas, é possível identificar onde determinados compostos estão a surgir.
Ao varrerem o laser ao longo da célula de fluxo, a equipa produziu mapas químicos em tempo real que revelavam onde apareciam compostos de carbonato e bicarbonato durante a captura de CO2. Os resultados não foram os esperados.
“Vimos que a reacção de equilíbrio está, na prática, a acontecer ao contrário perto da superfície”, explicou Pfeilsticker.
Pistas para melhorar sistemas futuros
Num primeiro momento, o hidróxido de potássio reage rapidamente com o CO2 que entra. Porém, essa reacção veloz consome depressa os iões hidróxido na zona próxima da superfície.
À medida que entra mais CO2 no sistema, a química evolui de um modo que os investigadores ainda não tinham conseguido observar directamente.
“Como é escoamento laminar, não há mistura turbulenta”, disse Jason.
Essa fluidez suave favorece a formação de uma camada fina de bicarbonato mesmo junto à superfície da membrana. E quanto mais o líquido avança, mais nítido se torna o padrão.
A equipa verificou ainda que as condições de operação alteravam muito o comportamento do sistema. Um caudal de líquido mais elevado modificava a forma da zona de reacção.
Aumentar a concentração de hidróxido de potássio atenuou alguns dos efeitos de depleção junto à superfície. Esses pormenores podem ajudar engenheiros a optimizar projectos futuros.
Pequenos ganhos de eficiência
Os investigadores criaram também um modelo computacional que reproduziu o que foi observado em laboratório.
Por estar ancorado em medições directas, e não em pressupostos, o modelo tornou-se consideravelmente mais fiável.
Isto poderá poupar muito tempo a equipas que testem novos líquidos de captura ou novos desenhos de reactores.
Em vez de avançar de imediato para sistemas de grande escala e elevado custo, poderá ser possível filtrar hipóteses mais rapidamente em ambiente laboratorial.
Mesmo melhorias pequenas contam. A captura directa do ar continua a ser cara e intensiva em energia.
Se o desempenho das reacções melhorar nem que seja alguns pontos percentuais, os custos podem descer de forma relevante quando a tecnologia é aplicada à escala industrial.
Implicações para lá da captura de carbono
O impacto do trabalho pode ir muito além da captura de carbono. Interfaces químicas semelhantes existem em sistemas usados na produção de combustíveis, em tecnologias de baterias e na separação de minerais.
A maior mudança poderá ser, simplesmente, a possibilidade de observar aquilo que antes estava escondido.
Durante anos, os investigadores tiveram de avaliar estes sistemas quase apenas pelos valores de entrada e saída. Agora, podem acompanhar a química a desenrolar-se à medida que acontece.
Os desafios de engenharia estão longe de estar resolvidos. Transformar a captura directa do ar numa solução climática de grande escala continuará a exigir investimento elevado, melhores sistemas energéticos e mais investigação.
Mas há algo novo: uma visão directa do núcleo da própria reacção.
O estudo completo foi publicado na revista ACS Energy Letters.
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