Tecnologia com patente pendente converte carbono “resíduo” em produtos químicos valiosos e elementos úteis

Animação do Processo de Liquefação Hidrotérmica

O carbono residual de fazendas, esgoto e outras fontes pode ser processado em combustíveis biológicos de alta qualidade com mais facilidade com uma nova célula de fluxo desenvolvida pelo PNNL. Nesta animação, a célula de fluxo recebe biocrude e águas residuais de um processo de liquefação hidrotérmica. Em seguida, remove o carbono das águas residuais, permitindo que a água limpa seja reutilizada. O sistema ainda gera hidrogênio, um combustível valioso que pode ser capturado, reduzindo o custo de toda a operação. Crédito: Sara Levine | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico

Processo com patente pendente remove contaminantes de biocombustíveis de águas residuais usando um processo sem aditivos que gera hidrogênio para abastecer sua própria operação

O santo graal dos pesquisadores de biocombustíveis é criar um processo autossustentável que converta resíduos de esgoto, culturas alimentares, algas e outras fontes renováveis ​​de carbono em combustíveis, mantendo o carbono residual fora do meio ambiente e da água. Embora muito progresso tenha sido feito na transformação desse lixo em combustível utilizável, completar o ciclo com energia limpa provou ser uma noz difícil de quebrar.

Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do Departamento de Energia desenvolveu um sistema que faz exatamente isso. O sistema de recuperação de combustível de oxidação eletrocatalítica PNNL converte o que antes se pensava ser carbono “resíduo” diluído e irrecuperável em produtos químicos valiosos, ao mesmo tempo em que produz hidrogênio útil. Como a energia renovável é usada, o processo é neutro em carbono ou possivelmente negativo em carbono.

A chave para fazer tudo funcionar é um catalisador de design elegante que combina bilhões de partículas de metal infinitesimalmente pequenas e uma corrente elétrica para acelerar a conversão de energia à temperatura e pressão ambiente.

Juan A. Lopez Ruiz PNNL

Juan A. Lopez-Ruiz, engenheiro químico do PNNL, liderou uma equipe de pesquisa que desenvolveu recentemente um novo reator de célula de fluxo que facilita o caminho para o combustível renovável. Crédito: Andrea Starr | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico

“Os métodos atualmente usados ​​de tratamento de biocrude requerem hidrogênio de alta pressão, que geralmente é gerado a partir de gás natural”, disse Juan A. Lopez-Ruiz, engenheiro químico do PNNL e líder do projeto. “Nosso sistema pode gerar esse próprio hidrogênio enquanto simultaneamente trata as águas residuais em condições atmosféricas próximas usando excesso de eletricidade renovável, tornando-o barato de operar e potencialmente neutro em carbono”.

Um sistema faminto

O grupo de pesquisa testou o sistema em laboratório usando uma amostra de efluente de um processo de conversão de biomassa em escala industrial por mais de 200 horas de operação contínua sem perder eficiência no processo. A única restrição era que a amostra de águas residuais da equipe de pesquisa havia acabado.

“É um sistema faminto”, disse Lopez-Ruiz. “A taxa de reação do processo é proporcional à quantidade de carbono residual que você está tentando converter. Ele poderia funcionar indefinidamente se você tivesse águas residuais para continuar circulando por ele.”

O sistema com patente pendente resolve vários problemas que têm prejudicado os esforços para tornar a biomassa uma fonte economicamente viável de energia renovável, de acordo com Lopez-Ruiz.

“Sabemos como transformar biomassa em combustível”, disse Lopez-Ruiz. “Mas ainda lutamos para tornar o processo energeticamente eficiente, econômico e ambientalmente sustentável – especialmente para pequenas escalas distribuídas. Este sistema funciona com eletricidade, que pode vir de fontes renováveis. E gera seu próprio calor e combustível para mantê-lo funcionando. Tem o potencial de completar o ciclo de recuperação de energia.”

“À medida que a rede elétrica começa a mudar suas fontes de energia para integrar mais renováveis”, acrescentou, “faz cada vez mais sentido depender da eletricidade para nossas necessidades energéticas. Desenvolvemos um processo que usa eletricidade para converter compostos de carbono em águas residuais em produtos úteis, enquanto remove impurezas como compostos de nitrogênio e enxofre.”

Fechando a lacuna de energia

A liquefação hidrotérmica (HTL) é um método muito eficiente para converter carbono residual úmido em combustível. Esse processo, em essência, reduz o tempo necessário para produzir combustíveis fósseis naturais, transformando biomassa úmida em petróleo biocrude denso em energia em horas, em vez de milênios. No entanto, o processo é incompleto no sentido de que as águas residuais geradas como parte do processo requerem tratamento adicional para obter valor agregado do que de outra forma seria um passivo.

“Percebemos que a mesma reação (eletro) química que removeu as moléculas orgânicas das águas residuais também poderia ser usada para atualizar diretamente o biocrude à temperatura ambiente e à pressão atmosférica”, disse Lopez-Ruiz.

É aí que entra o novo processo PNNL. O biocrude não refinado e as águas residuais podem ser alimentados no sistema diretamente a partir de um fluxo de saída HTL ou outros resíduos úmidos. O processo PNNL consiste no que é chamado de célula de fluxo, onde as águas residuais e o biocrude fluem através da célula e encontram um ambiente carregado criado por uma corrente elétrica. A própria célula é dividida ao meio por uma membrana.

Biorreator de Células de Fluxo PNNL

Um novo biorreator de célula de fluxo com patente pendente desenvolvido no Pacific Northwest National Laboratory pode purificar águas residuais (visto aqui) e gerar hidrogênio para ajudar a alimentar o processo. Crédito: Andrea Starr | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico

A metade carregada positivamente, chamada ânodo, contém uma fina folha de titânio revestida com nanopartículas de óxido de rutênio. Aqui, o fluxo de resíduos sofre uma conversão catalítica, com o biocrude sendo convertido em óleos úteis e parafina. Simultaneamente, contaminantes solúveis em água, como oxigênio e compostos contendo nitrogênio, sofrem uma conversão química que os transforma em gases de nitrogênio e oxigênio – componentes normais da atmosfera. As águas residuais que emergem do sistema, com os contaminantes removidos, podem então ser reintroduzidas no processo HTL.

Na metade negativamente carregada da célula de fluxo, chamada de cátodo, ocorre uma reação diferente que pode hidrogenar moléculas orgânicas (como as do biocrude tratado) ou gerar gás hidrogênio – uma fonte de energia emergente que os desenvolvedores da célula de fluxo veem como uma fonte potencial de combustível.

“Vemos o subproduto de hidrogênio gerado pelo processo como uma vantagem líquida. Quando coletado e alimentado no sistema como combustível, pode manter o sistema funcionando com menos entradas de energia, potencialmente tornando-o mais econômico e neutro em carbono do que as atuais operações de conversão de biomassa”, disse Lopez-Ruiz.

A velocidade da conversão química proporciona um benefício adicional ao sistema.

“Fizemos uma comparação de taxas – é a rapidez com que podemos remover oxigênio de moléculas orgânicas com nosso sistema, em oposição à remoção térmica com uso intensivo de energia”, disse Lopez-Ruiz. “Obtivemos taxas de conversão mais de 100 vezes maiores com o sistema eletroquímico em condições atmosféricas do que com o sistema térmico em pressões e temperaturas intermediárias de hidrogênio.” Essas descobertas foram publicadas no Journal of Applied Catalysis B: Ambiental em novembro de 2020.

Reduzindo o uso de metais de terras raras

Uma desvantagem significativa de muitas tecnologias comerciais é sua dependência de metais de terras raras, às vezes chamados de metais do grupo da platina. A cadeia de suprimentos mundial para esses elementos depende principalmente de tecnologias de extração desatualizadas que consomem muita energia, usam enormes quantidades de água e geram resíduos perigosos. De acordo com o Departamento de Energia, que fez do fornecimento doméstico uma prioridade primária, as importações representam 100% do fornecimento dos Estados Unidos para 14 dos 35 materiais críticos e mais da metade dos 17 outros.

O sistema aborda este problema incorporando um método único de deposição de nanopartículas dos metais responsáveis ​​pela conversão química. Essas partículas têm uma grande área de superfície, o que requer menos metal para fazer seu trabalho. “Descobrimos que o uso de nanopartículas de metal em oposição a filmes e folhas finas de metal reduziu o conteúdo de metal e melhorou o desempenho eletroquímico”, disse Lopez-Ruiz. Essas descobertas foram recentemente publicadas no Journal of Applied Catalysis B: Ambiental. O novo catalisador requer 1.000 vezes menos metal precioso, neste caso rutênio, do que normalmente é necessário para processos semelhantes. Especificamente, o reator de fluxo em escala de laboratório usa um eletrodo com cerca de 5 a 15 miligramas de rutênio, em comparação com cerca de 10 gramas de platina para um reator comparável.

Sobre aqueles compostos de carbono inúteis

A equipe de pesquisa também mostrou que o processo PNNL pode lidar com o processamento de pequenos compostos de carbono solúveis em água – subprodutos encontrados no fluxo de resíduos de água dos processos HTL atuais – bem como muitos outros processos industriais. Há cerca de uma dúzia desses compostos de carbono diabolicamente difíceis de processar nas correntes de águas residuais em baixas concentrações. Até agora, não havia nenhuma tecnologia econômica para lidar com eles. Esses compostos de carbono de cadeia curta, como propanoico ácido e ácido butanóico, sofrem transformação em combustíveis, como etano, propano, hexano e hidrogênio, durante o processo recém-desenvolvido.

Uma análise preliminar de custos mostrou que o custo de eletricidade necessário para operar o sistema pode ser totalmente compensado executando a operação em baixa tensão, usando propano ou butano para gerar calor e vendendo o excesso de hidrogênio gerado. Essas descobertas foram publicadas na edição de julho de 2020 da Revista de Eletroquímica Aplicada.

A Battelle, que administra e opera o PNNL para o governo federal, solicitou uma patente nos Estados Unidos para o processo eletroquímico. A CogniTek Management Systems (CogniTek), uma empresa global que traz produtos de energia e soluções tecnológicas para o mercado, licenciou a tecnologia do PNNL. A CogniTek integrará a tecnologia de tratamento de efluentes do PNNL em sistemas patenteados de processamento de biomassa que a CogniTek e seus parceiros estratégicos estão desenvolvendo e comercializando. Seu objetivo é a produção de biocombustíveis, como biodiesel e biocombustíveis de aviação. Além do acordo de comercialização, o PNNL e a CogniTek colaborarão para ampliar o reator de tratamento de águas residuais de escala de laboratório para escala de demonstração.

“Nós da CogniTek estamos entusiasmados com a oportunidade de estender a tecnologia PNNL, em combinação com nossas principais patentes e tecnologia de descarbonização com patente pendente”, disse o CEO da CogniTek, Michael Gurin.

A tecnologia, apelidada de Clean Sustainable Electrochemical Treatment – ​​ou CleanSET, está disponível para licença por outras empresas ou municípios interessados ​​em desenvolvê-la para usos específicos da indústria em estações de tratamento de águas residuais municipais, fazendas de laticínios, cervejarias, fabricantes de produtos químicos e produtores de alimentos e bebidas. Para saber mais sobre como essa tecnologia funciona ou agendar uma reunião com um gerente de comercialização de tecnologia, visite o site de Tecnologias Disponíveis do PNNL.

Além de Lopez-Ruiz, a equipe de pesquisa do PNNL incluiu Yang Qiu, Evan Andrews, Oliver Gutiérrez e Jamie Holladay. A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Manufatura Avançada do Departamento de Energia e pela Iniciativa de Transformação Química, um Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Direcionado por Laboratório do PNNL. Partes da pesquisa foram conduzidas como parte de um Acordo Cooperativo de Pesquisa e Desenvolvimento com a Southern California Gas Company.

Referências: “Conversão eletrocatalítica anódica de ácidos carboxílicos em filmes finos de RuO2IO2e Pt” por Yang Qiu, Juan A. Lopez-Ruiz, Udishnu Sanyal, Evan Andrews, Oliver Y. Gutiérrez e Jamie D. Holladay, 25 de junho de 2020, Catálise Aplicada B: Ambiental.
DOI: 10.1016/j.apcatb.2020.119277

“Valorização eletrocatalítica em H2 e hidrocarbonetos de uma corrente aquosa derivada de liquefação hidrotermal” por Juan A. Lopez-Ruiz, Yang Qiu, Evan Andrews, Oliver Y. Gutiérrez e Jamie D. Holladay, 9 de julho de 2020, Revista de Eletroquímica Aplicada.
DOI: 10.1007/s10800-020-01452-x

“Descarboxilação eletrocatalítica de ácidos carboxílicos sobre RuO2 e nanopartículas de Pt” por Yang Qiu, Juan A. Lopez-Ruiza, Guomin Zhu, Mark H. Engelhard, Oliver Y. Gutiérrez e Jamie D. Holladay, 1 de janeiro de 2022, Catálise Aplicada B: Ambiental.
DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.121060


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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