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

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 8917 (2022) Citar este artigo

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Os carbonos 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 carbono poroso a partir da biomassa de aipo e examinamos o efeito de parâmetros de adsorção externos, 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 destes dois tipos de nitrogênio tem maior efeito 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, ao aumentar o tempo de simulação e o tamanho da caixa de simulação, o erro relativo absoluto médio para resultados de simulação de estrutura ótima diminuiu para 16%, o que é um valor aceitável e torna o processo de simulação confiável para prever a capacidade de adsorção sob diversas condições.

O dióxido de carbono (CO2), como subproduto da combustão de combustíveis fósseis, é a principal causa das alterações climáticas incomuns e do aquecimento global1,2,3. Estima-se que apenas as centrais eléctricas baseadas em combustíveis causarão um aumento de 50% nas emissões de CO2 até 20304. No entanto, devido à forte procura de combustíveis fósseis, como fonte essencial de energia, as emissões de CO2 não podem ser evitadas. Portanto, a captura e armazenamento de CO2 ganharam atenção significativa nos últimos anos e extensas pesquisas foram realizadas para desenvolver materiais e novas abordagens para uma 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 é necessário 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 crucial neste procedimento para obter excelente desempenho de separação9,10. Como resultado, vários adsorventes sólidos, incluindo MOFs (estruturas metálicas orgânicas), zeólitos, polímeros porosos, sílica porosa funcionalizada, óxidos metálicos, carvão ativado funcionalizado e carbonos porosos foram verificados como adequados para esse propósito . Devido às excelentes características texturais, alta área superficial, porosidade ajustável, alta estabilidade e baixo custo, os carbonos porosos derivados de biomassa são considerados os adsorventes mais desejáveis ​​para a captura de CO2.

Os carbonos porosos são comumente empregados em aplicações ambientais e energéticas1. Eles têm muito potencial como suportes catalíticos e matrizes para captura, armazenamento e separação de gases2,3. O aumento da área superficial, da estrutura dos poros e da química superficial dos carbonos porosos sintéticos resultou recentemente no desenvolvimento de novos tipos com capacidade aprimorada de adsorção de CO2. 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 investigadores sugeriram que a presença de um volume estreito de microporos em carbonos porosos melhorou a sua capacidade de absorção de CO2 .

As moléculas de CO2 são adsorvidas seletivamente na superfície dos adsorventes em processos de adsorção quando não ocorre transferência de elétrons entre o adsorbato 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 podem em uma superfície aberta, facilitando a dessorção do CO2 e a regeneração de adsorventes para reutilização . Como a adsorção é um comportamento complicado, é fundamental investigar diferentes adsorventes. Além disso, é difícil examinar os valores de adsorção em temperaturas e pressões não mensuráveis. Assim, é necessário prevê-los em escala industrial e nanoescala. Como resultado, a simulação molecular tem sido utilizada como técnica complementar às medições 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 propriedades. Abordagens de dinâmica molecular (MD) ou Monte Carlo (MC) podem ser usadas para estimar a solubilidade-adsorção de gases usando metodologias microscópicas . A técnica de simulação mais precisa entre as diversas abordagens de simulação é a dinâmica molecular, que pode ser atribuída ao grau de liberdade do método. A abordagem no MC é estocástica (probabilística), mas o método no 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 computados . Simulações MD, incluindo MD ab initio (AIMD), MD reativo (RxMD) e MD clássico não reativo, podem gerar uma visão de nível eletrônico ou atomístico sobre as características estruturais e dinâmicas para prever 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. Carbono microporoso com grupos funcionais de oxigênio foi produzido por tratamento hidrotérmico da ativação de biomassa, de acordo com Xiancheng Ma et al. Neste caso, a simulação GCMC estimou que os grupos de oxigênio e as estruturas de poros eram 63% e 37%, respectivamente, responsáveis ​​pela adsorção de CO2. Também esclareceu que os grupos funcionais de oxigênio retinham CO2 por meio de 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 características de distribuição espacial, como distribuições de zona livre e zona de adsorção, distribuição de número de gás, distribuição de densidade de gás, proporção de gás livre e absorvido . Leebyn Chong et al. também utilizou as simulações MD e MC para investigar e comparar a adsorção de CO2 e CH4 em querogênio tipo II imaturo. CH4 e CO2 apresentaram adsorção semelhante nos microporos da matriz devido à sua capacidade de intumescimento semelhante e ao ambiente de confinamento rígido. Descobriu-se que a maior absorção de CO2 em comparação com CH4 no querogênio é devida às porosidades de tamanho meso23. Xinran Yu et al. determinou o volume vazio de nano-fenda de carbono usando as simulações GCMC e adquiriu circunstâncias experimentais adequadas para mitigação do efeito de adsorção de hélio. Além disso, examinaram a captura de hélio e sua densidade local em um poro24. A Figura 1 mostra uma visão geral dos diversos gases-líquidos capturados em adsorventes sólidos em estudos anteriores25,26,27,28.