O papel da química de superfície na adsorção de CO2 em biomassa

Oct 22, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8917 (2022) Citar este artigo

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Carvões porosos derivados de biomassa têm sido considerados um dos adsorventes mais eficazes para a captura de CO2, devido à sua estrutura porosa e alta área superficial específica. Neste estudo, sintetizamos com sucesso o carbono poroso da biomassa do aipo e examinamos o efeito dos parâmetros de adsorção externa, incluindo tempo, temperatura e pressão na absorção de CO2 em simulações experimentais e de dinâmica molecular (MD). Além disso, a influência da química da superfície do carbono (funcionalidades carboxila e hidroxila) e do tipo de nitrogênio na captura de CO2 foi investigada utilizando simulações MD. Os resultados mostraram que o nitrogênio piridínico tem maior tendência a adsorver CO2 do que o grafítico. Verificou-se que a presença simultânea desses dois tipos de nitrogênio tem um efeito maior na sorção de CO2 do que a presença individual de cada um na estrutura. Também foi revelado que a adição de grupos carboxila (O=C–OH) à matriz de carbono aumenta a captura de CO2 em cerca de 10%. Além disso, aumentando o tempo de simulação e o tamanho da caixa de simulação, o erro relativo médio absoluto para os resultados da simulação da estrutura ideal diminuiu para 16%, o que é um valor aceitável e torna o processo de simulação confiável para prever a capacidade de adsorção sob várias condições.

O dióxido de carbono (CO2), como subproduto da combustão de combustíveis fósseis, é a principal causa de mudanças climáticas incomuns e aquecimento global1,2,3. Estima-se que apenas as usinas a base de combustível causarão um aumento de 50% nas emissões de CO2 até 20304. No entanto, devido à forte demanda por combustíveis fósseis, como fonte essencial de energia, as emissões de CO2 não podem ser evitadas. Portanto, a captura e o armazenamento de CO2 ganharam atenção significativa nos últimos anos e uma extensa pesquisa foi realizada para desenvolver materiais e novas abordagens para adsorção eficiente de CO25. Estratégias potenciais para representar a adsorção de CO2 sob fluxos de gás combustível de alta pressão incluem absorção de solvente, separação por membrana, adsorção por oscilação de pressão (PSA) e adsorção por oscilação de temperatura (TSA). O PSA é uma escolha potencial devido à sua simplicidade e conveniência de operação, baixo custo, economia de energia (não requer aquecimento para regeneração) e viabilidade econômica, o que é especialmente benéfico no caso de atividades de média e pequena escala6,7, 8. A tecnologia PSA é um processo de adsorção cíclica na separação de gases que emprega diferentes adsorventes e taxas de capacidade de adsorção. O tipo de adsorvente é determinante neste procedimento para obtenção de excelente desempenho de separação9,10. Como resultado, vários adsorventes sólidos, incluindo MOFs (estruturas metálicas orgânicas), zeólitas, polímeros porosos, sílica porosa funcionalizada, óxidos metálicos, carvão ativado funcionalizado e carbonos porosos foram verificados como adequados para essa finalidade11. Devido às excelentes características de textura, alta área de superfície, porosidade ajustável, alta estabilidade e baixo custo, os carbonos porosos derivados de biomassa são considerados os adsorventes mais desejáveis ​​para a captura de CO212.

Carvões porosos são comumente empregados em aplicações ambientais e energéticas1. Eles têm muito potencial como suportes de catalisadores e matrizes para captura, armazenamento e separação de gases2,3. O aumento da área de superfície, estrutura de poros e química de superfície de carbonos porosos sintéticos resultou recentemente no desenvolvimento de novos tipos com capacidade de adsorção de CO2 aprimorada. A captura de CO2 também pode ser ajustada aplicando um método de síntese específico e adicionando grupos funcionais como nitrogênio, oxigênio e enxofre13,14. Especialmente, vários pesquisadores sugeriram que a presença de um volume de microporos estreito em carbonos porosos aumentava sua capacidade de absorção de CO215.

As moléculas de CO2 são adsorvidas seletivamente na superfície dos adsorventes em processos de adsorção quando não ocorre transferência de elétrons entre o adsorvato e o adsorvente. O fenômeno da fisissorção de gases ocorre quando as forças de Van der Waals mantêm as moléculas por muito mais tempo do que em uma superfície aberta, facilitando a dessorção do CO2 e a regeneração dos adsorventes para reuso16. Como a adsorção é um comportamento complicado, é fundamental que sejam investigados diferentes adsorventes. Além disso, é difícil examinar os valores de adsorção em temperaturas e pressões não mensuráveis. Assim, é necessário predizê-los em escala industrial e nanoescala. Como resultado, a simulação molecular tem sido utilizada como técnica complementar às medidas experimentais. Ele fornece informações profundas essenciais sobre os detalhes de adsorção e interações moleculares entre diferentes componentes de um sistema como uma fonte adicional de dados de propriedade. As abordagens de dinâmica molecular (MD) ou Monte Carlo (MC) podem ser usadas para estimar a solubilidade-adsorção do gás usando metodologias microscópicas17,18. A técnica de simulação mais precisa entre as várias abordagens de simulação é a dinâmica molecular, que pode ser atribuída ao grau de liberdade do método. A abordagem em MC é estocástica (probabilística), mas o método em MD é determinístico. O movimento direto das moléculas e suas colisões com paredes e outras moléculas são levados em consideração no MD. Em geral, esta abordagem é baseada na segunda lei de Newton, e a rota das partículas é calculada integrando esta equação. Os parâmetros macroscópicos do sistema podem ser obtidos obtendo a rota, o movimento e a velocidade da partícula e, em seguida, calculando a média dos valores calculados19. Simulações de MD, incluindo MD ab initio (AIMD), MD reativo (RxMD) e MD clássico não reativo, podem gerar uma percepção de nível eletrônico ou atomístico sobre os recursos estruturais e dinâmicos para prever as difusividades de gás. Este método é uma metodologia estável e adaptável que permite aos usuários traçar todo o curso dinâmico de um sistema através do espaço e do tempo20,21. Além disso, a simulação grand canonical Monte Carlo (GCMC) pode ser usada para determinar a quantidade de saturação sob diferentes valores de temperatura e pressão. O calor de adsorção também pode ser calculado simplesmente usando a quantidade de adsorção. Pesquisas foram realizadas para determinar os fatores que influenciam a quantidade de adsorção de CO2 em vários materiais22. O carbono microporoso com grupos funcionais de oxigênio foi produzido por tratamento hidrotérmico da ativação da biomassa, de acordo com Xiancheng Ma et al. Neste caso, a simulação GCMC estimou que grupos de oxigênio e estruturas de poros foram 63% e 37%, respectivamente, responsáveis ​​pela adsorção de CO2. Também esclareceu que grupos funcionais de oxigênio retêm CO2 por interações eletrostáticas15. Além disso, Chen et al. realizaram as simulações GCMC e MD para estudar o comportamento de adsorção e difusão de CH4 em nanoporos de xisto com diferentes diâmetros de poros em uma faixa de pressão de até 20 MPa e em uma temperatura específica. Este modelo forneceu previsões sobre as características da distribuição do espaço, como distribuições de zona livre e zona de adsorção, distribuição de número de gás, distribuição de densidade de gás, proporção de gás livre e absorvido17. Leebyn Chong et ai. também usou as simulações MD e MC para investigar e comparar a adsorção de CO2 e CH4 em querogênio tipo II imaturo. CH4 e CO2 mostraram adsorção semelhante nos microporos da matriz devido à sua capacidade de intumescimento semelhante e ambiente de confinamento apertado. Verificou-se que a maior absorção de CO2 em comparação com CH4 no querogênio se deve às porosidades de tamanho médio23. Xinran Yu et ai. determinou o volume vazio da nanofenda de carbono usando as simulações GCMC e adquiriu circunstâncias experimentais adequadas para mitigar o efeito de adsorção de hélio. Além disso, eles examinaram a captura de hélio e sua densidade local em um poro24. A Figura 1 mostra uma visão geral dos vários gases-líquidos capturados em adsorventes sólidos em estudos anteriores25,26,27,28.