Um projeto do Centro de Estudos de Energia e Petróleo (Cepetro), da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), com financiamento da TotalEnergies, está investigando novos materiais que possam ser utilizados na captura de carbono em plantas industriais. A pesquisa, inteiramente computacional, vai fazer o rastreio de materiais mais efetivos para adsorver o CO₂, um dos gases causadores do efeito estufa, levando em conta desde a estrutura atômica dos materiais até sua viabilidade econômica no processo industrial.
“Estratégias para a captura de carbono em plantas industriais estão sendo muito estudadas no Brasil e no mundo, dada a urgência em diminuir a quantidade de CO₂ liberado na atmosfera e, com isso, mitigar o impacto do aquecimento global. A inovação do nosso trabalho está na abordagem em conectar o mundo científico ao mundo da engenharia. Dessa forma, vamos integrar diferentes escalas: desde a escala atômica, identificando como um determinado material poderia ser mais eficiente, até a escala do processo, ou seja, como tornar a captura de carbono mais viável financeiramente”, afirma Luís Fernando Mercier Franco, professor da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp e pesquisador associado do Cepetro.
A captura de carbono é parte de uma estratégia conhecida como CCS (Carbon Capture and Storage, em inglês), que consiste na captura e no armazenamento (ou sequestro) do carbono no subsolo, em rochas, em aquíferos salinos profundos, reservatórios de óleo e gás ou minas de carvão abandonados. Há ainda um desdobramento dessa estratégia, a CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage, em inglês), que basicamente inclui o uso do carbono já capturado na produção de combustíveis e materiais diversos.
Franco explica que entre as várias possibilidades de processos para a captura de carbono está a adsorção, quando o CO₂ em forma gasosa (liberado pela queima de combustíveis fósseis, como carvão gás natural, ou por siderúrgicas, refinarias, fábricas de cimento e fertilizantes) é adsorvido e adere em material sólido, em um processo de separação posterior ao sistema de exaustão industrial, por exemplo.
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Nessa seara, alguns materiais já são bem conhecidos dos cientistas, como é o caso de estruturas organometálicas denominadas MOFs (do inglês, metal organic frameworks). Alguns MOFs têm alta seletividade para CO2 e devem ser os primeiros candidatos a serem estudados no projeto do Cepetro. “Existem também outros materiais mais tradicionais denominados zeólitos. Como se trata de um projeto inteiramente computacional, nossa ideia é desenvolver uma plataforma que nos permita primeiramente compreender a ciência básica a respeito das interações desses materiais com o CO₂”, diz.
Fábrica virtual de materiais
Franco conta ainda que outro objetivo do projeto é identificar possíveis modificações na estrutura química dos materiais estudados, a fim de torná-los mais adsorventes. “Queremos entender o que pode ser modificado na estrutura química desses materiais para que eles possam ganhar em adsorção, por exemplo, além de questões relacionadas a propriedades de transporte, como difusão e condutividade térmica, e propriedades mecânicas. Essas propriedades podem ser determinadas por simulações de dinâmica molecular a partir da compreensão das interações moleculares determinadas por simulações quânticas.”, explica.
“Com a ajuda do computador, poderemos fazer o rastreamento de vários materiais e alterar sua estrutura química. Na pior das hipóteses, corre-se o risco de que a estrutura metálica alterada no computador, não possa ser sintetizada em laboratório. Mesmo assim, sai muito mais rápido e barato fazer esse tipo de rastreio e seleção do que ir para a bancada e ficar testando diversos materiais, um por um, por tentativa e erro”, diz.
Em outra etapa do trabalho, os pesquisadores vão fazer simulações para predizer quanto o material está adsorvendo de carbono. “Tudo isso até chegar na escala do processo industrial, em que vamos rodar a plataforma na escala de uma torre de adsorção e fazer estudos de viabilidade econômica”, afirma.
"Queremos dar consistência de cálculo, desde a parte da ciência básica até chegar na escala do processo industrial. Isso significa que não vamos olhar apenas a capacidade adsortiva do material. Porque muitas vezes uma simples mudança na estrutura química de um material pode torná-lo mais seletivo ao carbono, mas deixá-lo com a propriedade mecânica, ou a condutividade térmica, fora dos limites de especificação. E isso pode representar um prejuízo na hora de colocar o material na torre industrial, por exemplo", completa.
