Síntese hidrotérmica dissociada 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 normalmente acopladas. Aqui, desenvolvemos um sistema hidrotérmico de temperatura e pressão desacoplado que pode aquecer a celulose a uma pressão constante, reduzindo significativamente a temperatura de degradação da celulose e permitindo a rápida produção de esferas submicrométricas de carbono. Esferas submicrométricas de carbono podem ser produzidas sem qualquer tempo isotérmico, muito mais rápido em comparação com o processo hidrotérmico convencional. A água em alta pressão pode ajudar a quebrar as ligações 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 baseada num projeto conceitual de biorrefinaria revela que esta tecnologia leva a uma redução substancial nas emissões de carbono quando o hidrochar substitui o combustível ou é usado para correção do solo. No geral, o tratamento hidrotérmico de temperatura e pressão dissociado neste estudo fornece um método promissor para produzir materiais de carbono sustentáveis ​​a partir de celulose com efeito negativo em carbono.

O consumo de combustíveis fósseis continua a produzir uma quantidade crescente de CO2 (emissão positiva em carbono, 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 da biomassa tem um grande potencial na redução das emissões líquidas globais de carbono2. A utilização tradicional da 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, no pior dos casos, são necessárias emissões negativas de 7–11 Gt de carbono por ano e, no melhor dos casos, são necessárias 0,5–3 Gt de carbono por ano para atingir a meta de 2 °C3.

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

A celulose, como principal componente da biomassa de lignocelulose (40-60%; base em massa), é também 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 é tipicamente altamente dependente de combustíveis fósseis. Portanto, espera-se que a utilização de celulose de alto valor agregado contribua para aliviar a crise energética e o aquecimento global. A conversão hidrotérmica da celulose pode produzir materiais carbonáceos sólidos, bioóleo 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 descontínuos são amplamente utilizados para estudar o processo hidrotérmico de substâncias insolúveis em água devido à sua fácil operação e universalidade. No entanto, num reactor descontínuo 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. Porém, 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 esta consequência é causada pela temperatura, pressão ou ambas. Isto é, se a pressão mudar, a temperatura de degradação também poderá mudar correspondentemente.