Como retirar o dióxido de carbono da água do mar: Um novo método

Recentemente, a possibilidade de remover o dióxido de carbono diretamente da água do oceano surgiu como outra possibilidade promissora para mitigar as emissões de CO₂ emissões, uma que poderia algum dia levar a emissões negativas líquidas globais. Mas, assim como os sistemas de captação de ar, a ideia ainda não se generalizou, embora existam algumas empresas tentando entrar nessa área.

Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT diz que pode ter encontrado a chave para um mecanismo de remoção verdadeiramente eficiente e barato. Os resultados foram relatados esta semana na revista Energia e Ciência Ambientalem um artigo dos professores do MIT T. Alan Hatton e Kripa Varanasi, do pós-doutorado Seoni Kim e dos alunos de pós-graduação Michael Nitzsche, Simon Rufer e Jack Lake.

Os métodos existentes para remover o dióxido de carbono da água do mar aplicam uma voltagem através de uma pilha de membranas para acidificar uma corrente de alimentação pela separação da água. Isso converte bicarbonatos na água em moléculas de CO₂, que pode então ser removido sob vácuo. Hatton, que é o professor Ralph Landau de Engenharia Química, observa que as membranas são caras e os produtos químicos são necessários para conduzir as reações gerais do eletrodo em cada extremidade da pilha, aumentando ainda mais a despesa e a complexidade dos processos. “Queríamos evitar a necessidade de introduzir produtos químicos nas meias células do ânodo e do cátodo e evitar o uso de membranas, se possível”, diz ele.

A equipe criou um processo reversível que consiste em células eletroquímicas sem membrana. Eletrodos reativos são usados ​​para liberar prótons para a água do mar alimentada às células, conduzindo a liberação do dióxido de carbono dissolvido da água. O processo é cíclico: primeiro ele acidifica a água para converter os bicarbonatos inorgânicos dissolvidos em dióxido de carbono molecular, que é coletado como um gás sob vácuo. Em seguida, a água é alimentada a um segundo conjunto de células com voltagem invertida, para recuperar os prótons e transformar a água ácida em alcalina antes de liberá-la de volta ao mar. Periodicamente, os papéis das duas células são invertidos, uma vez que um conjunto de eletrodos fica sem prótons (durante a acidificação) e o outro é regenerado durante a alcalinização.

Essa remoção de dióxido de carbono e a reinjeção de água alcalina podem lentamente começar a reverter, pelo menos localmente, a acidificação dos oceanos causada pelo acúmulo de dióxido de carbono, que por sua vez ameaça recifes de corais e moluscos, diz Varanasi, professor de Engenharia Mecânica. A reinjeção de água alcalina pode ser feita por meio de saídas dispersas ou longe da costa para evitar um pico local de alcalinidade que possa prejudicar os ecossistemas, dizem eles.

“Não seremos capazes de tratar as emissões de todo o planeta”, diz Varanasi. Mas a reinjeção pode ser feita em alguns casos em locais como pisciculturas, que tendem a acidificar a água, então pode ser uma forma de ajudar a combater esse efeito.

Depois que o dióxido de carbono é removido da água, ele ainda precisa ser descartado, como em outros processos de remoção de carbono. Por exemplo, pode ser enterrado em formações geológicas profundas sob o fundo do mar, ou pode ser quimicamente convertido em um composto como o etanol, que pode ser usado como combustível de transporte, ou em outras especialidades químicas. “Você certamente pode considerar o uso do CO capturado₂ como matéria-prima para produtos químicos ou produção de materiais, mas você não poderá usar tudo isso como matéria-prima”, diz Hatton. “Você ficará sem mercado para todos os produtos que produz, portanto, não importa o que , uma quantidade significativa de CO capturado₂ terá de ser enterrado no subsolo.”

Inicialmente, pelo menos, a ideia seria acoplar tais sistemas a infraestruturas existentes ou planejadas que já processam a água do mar, como usinas de dessalinização. “Este sistema é escalável para que possamos integrá-lo potencialmente em processos existentes que já estão processando água oceânica ou em contato com a água oceânica”, diz Varanasi. Lá, a remoção de dióxido de carbono poderia ser um simples complemento aos processos existentes, que já devolvem grandes quantidades de água ao mar, e não exigiria consumíveis como aditivos químicos ou membranas.

“Com as usinas de dessalinização, você já está bombeando toda a água, então por que não co-localizar lá?” diz Varanasi. “Um monte de custos de capital associados à maneira como você movimenta a água e ao licenciamento, tudo isso já poderia ser resolvido.”

O sistema também poderia ser implementado por navios que processariam água enquanto viajam, a fim de ajudar a mitigar a contribuição significativa do tráfego de navios para as emissões globais. Já existem mandatos internacionais para reduzir as emissões dos navios, e “isso pode ajudar as companhias de navegação a compensar algumas de suas emissões e transformar os navios em depuradores oceânicos”, diz Varanasi.

O sistema também pode ser implementado em locais como plataformas de perfuração offshore ou em fazendas de aquicultura. Eventualmente, isso pode levar à implantação de usinas autônomas de remoção de carbono distribuídas globalmente.

O processo pode ser mais eficiente do que os sistemas de captura de ar, diz Hatton, porque a concentração de dióxido de carbono na água do mar é mais de 100 vezes maior do que no ar. Em sistemas de captação direta de ar é necessário primeiro capturar e concentrar o gás antes de recuperá-lo. “Os oceanos são grandes sumidouros de carbono, então a etapa de captura já foi feita para você”, diz ele. “Não há etapa de captura, apenas liberação.” Isso significa que os volumes de material que precisam ser manuseados são muito menores, simplificando potencialmente todo o processo e reduzindo os requisitos de pegada.

A pesquisa continua, com o objetivo de encontrar uma alternativa para a etapa atual que requer um vácuo para remover o dióxido de carbono separado da água. Outra necessidade é identificar estratégias operacionais para evitar a precipitação de minerais que podem sujar os eletrodos na célula de alcalinização, um problema inerente que reduz a eficiência geral em todas as abordagens relatadas. Hatton observa que um progresso significativo foi feito nessas questões, mas que ainda é muito cedo para relatar sobre elas. A equipe espera que o sistema esteja pronto para um projeto de demonstração prática em cerca de dois anos.

“O problema do dióxido de carbono é o problema definidor de nossa vida, de nossa existência”, diz Varanasi. “Então, claramente, precisamos de toda a ajuda possível.”

O trabalho foi financiado pela ARPA-E.