Uma poderosa melhoria na tecnologia de captura de carbono usando membranas de nanofiltração para separar íons químicos importantes, melhorando drasticamente a eficiência e a estabilidade

Avanço do MIT torna a captura de carbono 6 vezes mais eficiente

Usando membranas de filtragem em nanoescala, pesquisadores do MIT adicionaram uma etapa intermediária simples que torna o processo de remoção de dióxido de carbono do ar mais eficiente. Crédito: Kripa Varanasi, Simon Rufer, Tal Joseph e Zara Aamer

Essa etapa intermediária inteligente permite que as fases de captura e liberação sejam executadas com mais eficiência, potencialmente reduzindo custos em 20% e tornando o processo mais tolerante a flutuações. O sistema não só é compatível com a infraestrutura existente, como também pode abrir caminho para uma química mais segura e sustentável na gestão de carbono.

O Desafio da Captura Eficiente de Carbono

A remoção de dióxido de carbono da atmosfera é amplamente considerada uma das ferramentas mais importantes para combater as mudanças climáticas. Mas há um porém frustrante: os produtos químicos que são melhores em extrair CO2 do ar tendem a se agarrar a ele com muita força, dificultando sua liberação posterior. Por outro lado, compostos que liberam CO2 facilmente não são tão bons em capturá-lo. É um ato de equilíbrio, e melhorar uma parte geralmente significa enfraquecer a outra.

Agora, pesquisadores do MIT encontraram uma maneira inteligente de superar esse desafio. Ao adicionar uma etapa de filtragem em nanoescala no meio do processo de captura de carbono, eles conseguiram aumentar a eficiência em seis vezes, além de reduzir os custos em pelo menos 20%. Essa inovação pode tornar a remoção de carbono significativamente mais prática e escalável.

O trabalho, publicado na ACS Energy Letters , vem de uma equipe que inclui os estudantes de doutorado do MIT Simon Rufer, Tal Joseph e Zara Aamer, juntamente com o professor de engenharia mecânica Kripa Varanasi.

Pensando grande desde o início

“Precisamos pensar em escala desde o início quando se trata de captura de carbono, pois causar um impacto significativo requer 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.”

Os sistemas tradicionais costumam usar uma substância química chamada hidróxido, que reage rapidamente com o dióxido de carbono presente no ar para formar carbonato. Esse carbonato é então enviado para uma célula eletroquímica, onde reage com ácido , transformando-se em água e liberando CO₂ puro . O resultado é um fluxo limpo e concentrado de dióxido de carbono que pode ser reutilizado para produzir combustível ou outros produtos valiosos.

Um sistema inteligente de três partes

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.”

Demonstrando viabilidade no mundo real

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."

Além da Captura Direta de Ar

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."

Pronto para uso no mundo real

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 confiáveis, em escala industrial e com boa relação custo-benefício, que permitam atingir diretamente suas metas de descarbonização.”

Referência: “Separação de Carbonato/Hidróxido Aumenta a Taxa de Absorção de CO2 e a Eficiência da Liberação Eletroquímica” por Simon Rufer, Tal Joseph, Zara Aamer e Kripa K. Varanasi, 20 de maio de 2025, ACS Energy Letters .DOI: 10.1021/acsenergylett.5c00893

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.nano.

Matéria e créditos para: https://scitechdaily.com/mit-breakthrough-makes-carbon-capture-6x-more-efficient/