Da vinhaça ao armazenamento: investigadores transformam subprodutos do bourbon em supercapacitores

Josiel Barrios Cossio, estudante de pós-graduação, tomou conhecimento da escala do problema dos resíduos do uísque americano quando trabalhava num estágio de investigação para analisar questões relacionadas com alimentos, energia e água no Kentucky. "Do volume final de bourbon produzido, obtém-se 6 a 10 vezes essa quantidade de vinhaça como resíduo", diz Barrios Cossio, "por isso é um grande problema".

Esta vinhaça é um mosto desleixado que é normalmente vendido aos agricultores como alimento para o gado ou como aditivo para o solo. Mas é difícil de transportar quando está húmido e a sua secagem é dispendiosa.

Uma solução alternativa é converter diretamente a vinhaça em materiais de carbono mais valiosos, utilizando uma técnica chamada carbonização hidrotérmica, que é como uma cozedura sob pressão de alta intensidade. "Podíamos pegar na vinhaça tal como ela é, numa dispersão com muita água", diz Barrios Cossio, "e usar essa desvantagem como uma vantagem".

A equipa estava interessada em materiais de carbono porque estes são bons eléctrodos para supercapacitores, um tipo de dispositivo de armazenamento de energia. A carbonização hidrotérmica poderia oferecer um resíduo vegetal como fonte para estes eléctrodos. Pesquisas anteriores demonstraram que subprodutos agrícolas, como fibras de milho, podem ser convertidos em materiais de carbono com esse tipo de aquecimento, mas a estratégia ainda não foi testada com a vinhaça de bourbon, que é feita de uma mistura de grãos que deve incluir milho.

Assim, Barrios Cossio e Marcelo Guzman, químico da Universidade de Kentucky e investigador principal do projeto, decidiram converter os resíduos das destilarias locais em eléctrodos para supercapacitores.

O primeiro passo foi contactar os proprietários das destilarias, criar confiança e convencê-los a deixar os investigadores entrar nas suas instalações para recolher amostras e "fazer algo divertido com elas", diz Barrios Cossio. Os químicos da Universidade do Kentucky estabeleceram relações com destilarias do Kentucky ao Illinois e até ao Canadá para utilizar os seus resíduos.

A equipa transformou a vinhaça encharcada num pó preto fino, tratando o produto residual com calor e pressão num reator de 10 litros. A partir daí, o pó preto foi aquecido, por exemplo, a 200 graus Celsius (392 graus Fahrenheit) num forno, quer sozinho para formar carbono duro, quer com hidróxido de potássio a 800 C (1.472 F) para formar carbono ativado. O carbono duro é como a grafite, mas com folhas de carbono menos bem empilhadas, o que o torna ideal para adsorver mais iões de lítio para aumentar a capacidade de armazenamento de energia. O carbono ativado é extremamente poroso, o que significa que pode armazenar grandes quantidades de carga e, por conseguinte, de energia, na sua grande área de superfície interna.

Para provar o conceito, a equipa criou condensadores de camada dupla, colocando um eletrólito líquido entre eléctrodos de carvão ativado. Nos testes, estes supercondensadores do tamanho de uma moeda podiam armazenar até 48 watts-hora por quilograma, o que estava ao nível dos disponíveis no mercado.

Os investigadores também fizeram experiências com supercondensadores híbridos de iões de lítio, concebidos para estabelecer um compromisso entre as rápidas velocidades de descarga dos condensadores e o maior armazenamento de energia das baterias. Assim, construíram dispositivos com um elétrodo de carbono ativado do tipo condensador e um elétrodo de carbono duro do tipo bateria, ambos infundidos com iões de lítio. Estes supercapacitores derivados da vinhaça armazenaram até 25 vezes mais energia por quilograma do que as versões convencionais.

Os supercapacitores de iões de lítio são também um novo exemplo da utilização de uma fonte agrícola para dois eléctrodos diferentes num único dispositivo. "Foi uma grande descoberta para mim o facto de se poderem fabricar dispositivos híbridos a partir destes resíduos", afirma Barrios Cossio. "Os dispositivos híbridos não são comuns. Não são comuns e não são fáceis de fabricar".

Os próximos passos dos investigadores consistem em estudar os mecanismos de armazenamento de energia dos seus supercapacitores derivados da vinhaça, a fim de os otimizar para comercialização. O seu objetivo é desenvolver versões maiores dos supercapacitores, para que, um dia, esta tecnologia possa ajudar a estabilizar a rede eléctrica à medida que forem sendo incorporadas mais fontes de energia renovável. Mais imediatamente, a equipa irá proceder à análise do ciclo de vida, bem como a avaliações da viabilidade económica e tecnológica para avaliar a sustentabilidade da conversão dos resíduos da destilaria em dispositivos de armazenamento de energia.

De um modo geral, a equipa está entusiasmada por ter encontrado um protótipo de solução para um problema local em colaboração com o grupo de Andrea Balducci da Universidade Friedrich Schiller de Jena, na Alemanha. "Este projeto permitiu-nos relacionar um problema do mundo real com indústrias a nível estatal", diz Guzman, "e isso foi muito fixe."