Síntese hidrotérmica desacoplada de temperatura e pressão de carbono sub

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 3616 (2022) Citar este artigo

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A temperatura e a pressão do processo hidrotérmico que ocorre em um reator descontínuo são tipicamente acopladas. Aqui, desenvolvemos um sistema hidrotérmico desacoplado de temperatura e pressão que pode aquecer a celulose a uma pressão constante, diminuindo significativamente a temperatura de degradação da celulose e permitindo a produção rápida de esferas submicrométricas de carbono. As esferas submicrométricas de carbono podem ser produzidas sem qualquer tempo isotérmico, muito mais rápido em comparação com o processo hidrotérmico convencional. A água de alta pressão pode ajudar a quebrar as pontes de hidrogênio na celulose e facilitar as reações de desidratação, promovendo assim a carbonização da celulose em baixas temperaturas. Uma avaliação do ciclo de vida com base em um projeto conceitual de biorrefinaria revela que essa tecnologia leva a uma redução substancial nas emissões de carbono quando o hidrocarvão substitui o combustível ou é usado para correção do solo. No geral, o tratamento hidrotérmico desacoplado de temperatura e pressão neste estudo fornece um método promissor para produzir materiais de carbono sustentáveis ​​a partir da celulose com um efeito carbono negativo.

O consumo de combustíveis fósseis continua a produzir uma quantidade crescente de CO2 (emissão carbono positiva, Fig. 1a), o que provoca consequências graves como as alterações climáticas e a acidificação dos oceanos. A biomassa lignocelulósica, como madeira, grama e resíduos agrícolas (palha), composta por celulose, hemicelulose e lignina, é um recurso renovável e neutro em carbono1. A utilização de biomassa tem grande potencial na redução das emissões globais líquidas de carbono2. A utilização tradicional de biomassa, como combustão, gaseificação e digestão anaeróbica, é neutra em carbono. A conversão de biomassa em materiais de carbono, que podem realizar o armazenamento de carbono em uma forma sólida estável, é uma tecnologia de emissão negativa (NET) (Fig. 1a). Foi relatado que emissões negativas de 7–11 Gt de carbono por ano são necessárias no pior caso, e 0,5–3 Gt de carbono por ano são necessárias no melhor caso para atingir a meta de 2 °C3.

a Esquema de situações carbono-positivo, carbono-neutro e carbono-negativo. b Ilustração de esferas submicrométricas de carbono do tratamento hidrotérmico de baixa temperatura de matérias-primas à base de celulose.

A celulose, como o principal componente da biomassa de lignocelulose (40-60%; base de massa), também é o principal componente do papel e dos têxteis à base de algodão4. A celulose pode ser convertida em materiais de carbono5,6, produtos químicos7,8 ou etanol9, cuja produção geralmente depende muito de combustíveis fósseis. Portanto, espera-se que a utilização de alto valor agregado da celulose contribua para amenizar a crise energética e o aquecimento global. A conversão hidrotérmica da celulose pode produzir materiais carbonáceos sólidos, bio-óleo líquido e gases combustíveis (por exemplo, H2, CO e CH4)10,11,12. Material carbonáceo sólido, ou seja, hidrocarvão, pode ser usado em eletrodos de capacitores, tratamento de águas residuais e células de combustível13,14.

Os reatores batelada são amplamente utilizados para estudar o processo hidrotérmico de substâncias insolúveis em água devido à sua fácil operação e universalidade. No entanto, em um reator de batelada típico, a temperatura e a pressão estão acopladas, tornando difícil controlá-las separadamente, o que faz com que o chamado 'efeito de temperatura' possa ser essencialmente uma combinação de temperatura e pressão. A celulose (cristalina) é geralmente conhecida por se decompor a ~210 °C15,16 a uma pressão de vapor saturado de 1,9 MPa. No entanto, quando a temperatura aumenta de 100 para 210 °C, a pressão aumenta de 0,1 para 1,9 MPa, ou seja, um processo hidrotérmico acoplado de temperatura e pressão (CTPH). Portanto, não está claro se essa consequência é causada pela temperatura, pressão ou ambos. Ou seja, se a pressão mudar, a temperatura de degradação também pode mudar correspondentemente.