Transformar CO₂ em combustíveis: Químicos resolvem um problema fundamental de escalabilidade
O Centro Técnico da LIKAT produz, pela primeira vez, catalisador à escala de quilogramas para uma unidade piloto
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Os químicos do Centro Técnico LIKAT, em Rostock, conseguiram, pela primeira vez, produzir um novo catalisador à escala piloto. Os primeiros dez quilogramas da substância já foram entregues a parceiros de investigação em Hamburgo e Viena. O catalisador, desenvolvido no LIKAT no âmbito de um projeto de colaboração anterior, destina-se a produzir combustíveis neutros em termos de CO₂ em Viena e a demonstrar a sua viabilidade prática para instalações de maior dimensão. Trata-se do elemento central de uma forma moderna da síntese de Fischer-Tropsch (FTS), desenvolvida há cem anos por dois químicos alemães para liquefazer carvão e gás natural. Em vez de matérias-primas fósseis, esta nova variante da FTS liquefaz agora o gás com efeito de estufa CO₂.
O Dr. Christoph Wulf e o Dr. Simon Haida (da esquerda) apresentam uma amostra do material sintetizado
Rachow, LIKAT
A nova versão deste catalisador Fischer-Tropsch foi desenvolvida no Instituto Leibniz de Catálise. O processo converte dióxido de carbono (CO₂), juntamente com hidrogénio (H₂) produzido de forma sustentável, em combustíveis sintéticos amigos do clima. Estes combustíveis podem alimentar motores de combustão interna convencionais e, ao contrário da gasolina ou do gasóleo, não contêm quaisquer compostos de enxofre ou azoto. «A investigação visa uma mobilidade sustentável e neutra em CO₂, que é também um dos eixos da agenda nacional de alta tecnologia», afirma o Dr. Christoph Wulf, chefe de grupo no Centro Técnico de Transferência LIKAT.
Sucessor do InnoSyn
Tal como o processo clássico, o método moderno decorre nos chamados reatores de coluna de bolhas, mas em condições de reação muito mais suaves. Em longos tubos verticais, todas as substâncias envolvidas percorrem um líquido viscoso de baixo para cima: por um lado, as «bolhas» — ou seja, as matérias-primas gasosas CO₂, H₂ e, posteriormente, monóxido de carbono (CO). Por outro lado, encontram-se todos os produtos intermédios e finais líquidos, bem como o catalisador na forma de finas esferas à base de óxido de ferro.
Este catalisador foi desenvolvido no âmbito do projeto do consórcio InnoSyn, financiado pelo governo federal — uma componente da iniciativa «República do Hidrogénio da Alemanha» — em conjunto com um modelo de IA para o CO₂-FTS, sob a direção do químico do LIKAT, Dr. David Linke (ver também https://idw-online.de/de/news851343). Os parceiros do Instituto Engler-Bunte do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) demonstraram a viabilidade deste processo num sistema de reator multifásico à escala de gramas. Num projeto subsequente, o «Green Fuel and Chemicals», o processo vai agora ser preparado para aplicação industrial. Isto inclui uma demonstração à escala do quilograma numa unidade-piloto nas instalações da Bioenergy and Sustainable Technologies GmbH (BEST), em Viena. Aí, vários quilogramas de CO₂ deverão ser convertidos em combustíveis e produtos químicos sustentáveis até ao início de 2027.
Formulação de catalisadores para aumento de escala
Quando novos catalisadores saem do laboratório de investigação, funcionam normalmente em quantidades de apenas alguns miligramas. Para o aumento de escala — como os químicos lhe chamam — para escalas de vários quilogramas e volumes de solução de até 100 litros, o catalisador requer uma formulação diferente. O objetivo da nova colaboração de investigação era encontrar a abordagem adequada. O Dr. Christoph Wulf e o Dr. Simon Haida assumiram esta tarefa no Centro Técnico de Transferência LIKAT.
Como ambos os químicos explicam, isto também envolveu o desenvolvimento de uma tecnologia de produção prática para o catalisador. O catalisador para a nova síntese de Fischer-Tropsch é formado a partir de sais metálicos numa reação de precipitação, produzindo um «bolo» vermelho-ferrugem de óxido de ferro — uma espécie de pasta que é subsequentemente seca por pulverização e submetida a tratamento térmico. O resultado são partículas com uma forma esférica praticamente perfeita. As esferas variam em tamanho e, por isso, têm de ser fracionadas — ou seja, classificadas por tamanho.
O tamanho das partículas determina a função
«O cerne da questão é que o comportamento de um catalisador não pode ser previsto em grande escala», afirma Simon Haida. Agitar e misturar bem uma solução de 100 mililitros pode parecer simples. «Numa escala de 50 litros, o processo específico — nomeadamente a filtração, que separa o produto bruto da solução de reação — constitui um desafio.» Isto requer experiências sistemáticas nas quais os volumes de reação são aumentados gradualmente.
Este trabalho foi realizado em estreita colaboração com o químico do LIKAT, o Dr. Aleksandr Fedorov, que tinha inicialmente desenvolvido o catalisador. A cada nova etapa, ele reajustava o catalisador e testava o seu desempenho. Os químicos tiveram então de planear o equipamento para a etapa seguinte.
Desta forma, avançaram de um lote de alguns mililitros para 50 litros, o que pode ser utilizado para abastecer instalações-piloto. Uma conclusão dos experimentos é que o tamanho das partículas influencia significativamente o desempenho do catalisador. Dr. Wulf: «As esferas de óxido de ferro não podem ser demasiado grandes, para que possam continuar a flutuar — por assim dizer — no reator de coluna de bolhas subsequente. No entanto, se forem demasiado pequenas, aglomeram-se e entopem o filtro na saída do reator ou até acabam por entrar no produto e contaminá-lo.»
Planta-piloto permite o aumento de escala
O LIKAT é uma das primeiras instituições científicas na Alemanha capaz de produzir novos catalisadores para a sua investigação à escala piloto. Embora outros institutos disponham de instalações-piloto para testar catalisadores, Christoph Wulf observa: «Mas carecem do equipamento necessário para produzir as substâncias de teste na escala necessária.» No LIKAT, a instalação técnica Catalysis2Scale está agora bem equipada com instrumentos e equipamento, graças a projetos financiados por subvenções e a colaborações de investigação. Com os primeiros dez quilogramas do seu catalisador de óxido de ferro para a nova síntese de Fischer-Tropsch, o Dr. Wulf e o Dr. Haida pretendem agora chamar a atenção de potenciais parceiros de investigação para esta oportunidade.
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