Num método proposto de captura de carbono, os cristais de óxido de magnésio no solo ligam-se às moléculas de dióxido de carbono do ar circundante, desencadeando a formação de carbonato de magnésio. O carbonato de magnésio é então aquecido para convertê-lo novamente em óxido de magnésio e liberar o dióxido de carbono para colocação no subsolo ou sequestro. Crédito: Adam Malin/ORNL, Departamento de Energia dos EUA
A pesquisa do Laboratório Nacional de Oak Ridge sobre óxido de magnésio para captura de carbono revela uma taxa de absorção lenta ao longo do tempo devido à formação de camadas superficiais, apresentando desafios para a viabilidade econômica e orientando futuros estudos focados em soluções.
O óxido de magnésio é um material promissor para capturar dióxido de carbono diretamente da atmosfera e injetá-lo nas profundezas do subsolo para limitar os efeitos das mudanças climáticas. Contudo, tornar o método económico exigirá descobrir a velocidade a que o dióxido de carbono é absorvido e como as condições ambientais afectam as reacções químicas envolvidas.
Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia analisaram um conjunto de amostras de cristais de óxido de magnésio expostas à atmosfera durante décadas, e outra durante dias a meses, para avaliar as taxas de reação. Eles descobriram que o dióxido de carbono é absorvido mais lentamente durante períodos de tempo mais longos devido a uma camada reagida que se forma na superfície dos cristais de óxido de magnésio.
“Esta camada reagida é uma mistura complicada de diferentes sólidos, o que limita a capacidade das moléculas de dióxido de carbono de encontrar óxido de magnésio fresco para reagir. Para tornar esta tecnologia económica, estamos agora a procurar formas de superar este efeito de blindagem”, disse Juliane Weber do ORNL, principal investigadora do projecto. Andrew Stack, cientista do ORNL e membro da equipe do projeto, seguiu: “Se pudermos fazer isso, este processo poderá atingir a meta de Carbon Negative Energy Earthshot de capturar níveis de gigatoneladas de dióxido de carbono do ar por menos de US$ 100 por ano. tonelada métrica de dióxido de carbono.”
A maior parte das pesquisas anteriores, destinadas a compreender a rapidez com que ocorrem as reações químicas do óxido de magnésio e do dióxido de carbono, basearam-se em cálculos aproximados, em vez de testes de materiais. O estudo ORNL marca a primeira vez que um teste de várias décadas foi conduzido para determinar a taxa de reação em longas escalas de tempo. Usando microscopia eletrônica de transmissão no Center for Nanophase Materials Science, ou CNMS, no ORNL, os pesquisadores descobriram que uma camada reagida se forma. Esta camada consiste em uma variedade de fases cristalinas e amorfas hidratadas e carbonáticas complexas.
“Além disso, ao realizar algumas simulações computacionais de modelagem de transporte reativo, determinamos que, à medida que a camada reagida se acumula, ela fica cada vez melhor em impedir que o dióxido de carbono encontre óxido de magnésio fresco para reagir”, disse Vitaliy Starchenko, pesquisador do ORNL. “Assim, daqui para frente, estamos procurando maneiras de contornar esse processo para permitir que o dióxido de carbono encontre uma superfície nova para reagir.”
As simulações computacionais ajudam cientistas e engenheiros a compreender como a camada reagida evolui e muda a forma como as substâncias se movem através dela ao longo do tempo. Os modelos computacionais permitem previsões relativas às reações e movimentos de materiais em sistemas naturais e de engenharia, como ciências de materiais e geoquímica.
O DOE Office of Science apoiou principalmente o trabalho. O programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório do ORNL apoiou tempo de voo, ou TOF, espectrometria de massa de íons secundários, ou SIMS, e microscopia eletrônica de transmissão preliminar, ou TEM. As caracterizações de microscopia de força atômica-TOF-SIMS e TEM foram conduzidas como parte de um projeto de usuário no CNMS, uma instalação de usuário do DOE Office of Science no ORNL.
