A equipe de Jiang Zhongyi e He Guangwei, da Universidade de Tianjin, desenvolveu com sucesso uma nova membrana de matriz mista totalmente orgânica, superando o gargalo de conciliar desempenho de separação por membrana e processabilidade, oferecendo um novo caminho de material para a captura de carbono de baixo consumo energético e baixo custo em gases industriais. Esse resultado foi publicado on-line em 7 de outubro na revista acadêmica internacional de ponta Nature Energy.
Para alcançar a meta de "duplo carbono", a captura de carbono é um elo importante. A chamada "captura de carbono" consiste em capturar o dióxido de carbono liberado na atmosfera, comprimi-lo e armazená-lo em campos petrolíferos esgotados ou outros locais subterrâneos seguros.
Nos gases industriais emitidos por usinas termelétricas, fábricas de cimento e siderúrgicas, a concentração de dióxido de carbono não é alta, mas o volume total é muito grande. Para "peneirá-los", os métodos tradicionais consomem muita energia e têm alto custo. A tecnologia de separação por membrana é verde, de baixo carbono e economizadora de energia, sendo considerada uma tecnologia de captura de carbono com grande potencial.
Representação esquemática da membrana de matriz mista totalmente orgânica de estruturas covalentes orgânicas monocristalinas (imagem fornecida pelos entrevistados)
A membrana é a "peneira" da tecnologia de separação por membrana. A captura de carbono em gases de combustão industriais exige que a membrana combine alta permeabilidade, alta seletividade, estabilidade de longo prazo e facilidade de escala. As membranas de matriz mista combinam a processabilidade dos polímeros com a capacidade de transporte eficiente de cargas porosas, ocupando uma posição importante na captura de carbono de baixo consumo energético. No entanto, os dois tipos de materiais têm propriedades muito diferentes, havendo problemas de compatibilidade. Os métodos tradicionais dependem do reforço das forças de interação para "colar mais firmemente" os dois tipos de materiais, mas o efeito é limitado: o desempenho de separação ainda é dominado pelo polímero, e as cargas porosas dificilmente desempenham seu papel.
Diante disso, inspirada na estrutura da membrana celular, a equipe de pesquisa propôs a estratégia de "encrustamento por força interfacial fraca", combinando estruturas covalentes orgânicas (COF) monocristalinas com canais ordenados e regulares com polímeros, para desenvolver uma membrana de matriz mista totalmente orgânica. Ao coordenar as interações "carga—polímero" e "carga—carga", os COF são uniformemente "encrustados" na membrana com alta taxa de preenchimento, assumindo verdadeiramente o "papel principal" no transporte molecular, ao mesmo tempo em que preservam a flexibilidade e a processabilidade em solução da membrana, construindo canais de transporte ultrarrápido de dióxido de carbono.
Representação esquemática da morfologia e da microestrutura da membrana (imagem fornecida pelos entrevistados)
Em testes com misturas gasosas simulando gases de combustão, a permeabilidade ao dióxido de carbono da membrana de matriz mista totalmente orgânica preparada pela equipe apresentou um aumento de ordem de grandeza, superando o valor recorde da literatura e atingindo cerca de 70% do valor teórico previsto pelo modelo para membranas de COF puro. A membrana também demonstrou boa estabilidade de longo prazo, mantendo desempenho estável sob condições de teste com umidade, óxidos de enxofre e óxidos de nitrogênio. Segundo análise técnico-econômica preliminar, sob condições definidas de processo e custo, o custo de captura de carbono é de aproximadamente 38 dólares por tonelada de dióxido de carbono.
"Transformar o desafio da redução de carbono industrial em uma questão científica de materiais de membrana de alto desempenho é a direção de nossa pesquisa de longo prazo", afirmou o professor Jiang Zhongyi, autor correspondente do artigo. Segundo ele, esse resultado oferece novas ideias para o desenvolvimento de materiais de membrana que conciliem desempenho, estabilidade e processabilidade, com potencial de aplicação na captura de carbono de gases de combustão nos setores de energia elétrica, cimento e siderurgia, impulsionando assim a tecnologia de membranas de captura de carbono rumo à aplicação industrial.