Água do mar e CO2 viram material de construção que armazena carbono

Pesquisadores descobriram que é possível transformar água do mar e dióxido de carbono em um material de construção sólido que armazena mais carbono do que o necessário para produzi-lo.

Essa constatação reposiciona um ingrediente básico da construção como um possível aliado do clima, sobretudo em locais onde a indústria pesada já está instalada junto ao litoral.

Água do mar e dióxido de carbono viram pedra

Em um reator de bancada, a água do mar gerou grãos claros, parecidos com areia, capazes de substituir o agregado extraído de minas usado no concreto.

Trabalhando com colegas da Northwestern University, Alessandro Rotta Loria mostrou que esse material pode ser “cultivado” diretamente em um ambiente químico controlado.

Os sólidos não aparecem em um único formato: podem surgir como pós soltos na solução ou como grãos que se formam e se acumulam sobre um eletrodo.

Essa versatilidade depende de um equilíbrio químico bastante estreito - o que leva à questão central de como o material se comporta quando as condições do processo mudam.

Como a reação funciona

Quando a eletricidade começa a atravessar a água do mar, ocorre a divisão da água e a formação de íons hidróxido, partículas carregadas que tornam a água ao redor menos ácida.

Em paralelo, ao borbulhar dióxido de carbono na água do mar, formam-se íons bicarbonato - compostos de carbono dissolvidos prontos para virar minerais.

Esses componentes reagem com o cálcio e o magnésio presentes na água do mar e se solidificam em carbonato de cálcio (o mineral típico do calcário e de conchas), além de um sólido rico em magnésio.

O mesmo conjunto de reações também libera hidrogênio gasoso, criando um segundo produto que pode ajudar a viabilizar economicamente o processo.

Ajustando a mistura mineral

Pequenas variações de tensão e corrente, do fluxo de dióxido de carbono e da circulação de água levaram à formação de partículas que iam de flocos leves a grãos mais densos.

Em alguns cenários, os sólidos permaneciam aderidos ao eletrodo; em outros, bolhas de hidrogênio os desprendiam e os dispersavam na solução.

“Mostramos que, quando geramos esses materiais, conseguimos controlar totalmente suas propriedades, como a composição química, o tamanho, a forma e a porosidade”, disse Rotta Loria.

Esse nível de controle é importante porque concreto, gesso e materiais de enchimento exigem granulometrias, densidades e níveis de poros diferentes.

Por que a areia importa

Uma mistura típica de concreto depende de agregados - areia e brita que dão volume - em cerca de 60 a 75% do seu volume.

Trocar uma parte dessa massa por material produzido em reator pode reduzir a pressão por areia extraída de rios, zonas costeiras e fundos marinhos.

Como as partículas crescidas no reator podem se apresentar como pó ou como grãos maiores, a mesma química pode atender a vários produtos da construção.

Assim, o carbono capturado deixa de ser apenas algo a ser enterrado e passa a se tornar um insumo que os fabricantes já precisam em quantidades enormes.

Algumas formulações ficam carbono-negativas

Nas melhores combinações, o produto final torna-se carbono-negativo, armazenando mais dióxido de carbono do que o processo emite.

Uma mistura dividida igualmente entre carbonato de cálcio e um sólido rico em magnésio consegue reter mais de metade do próprio peso em dióxido de carbono.

Um tratamento posterior por carbonatação - reação que incorpora dióxido de carbono ao sólido - permite que a fração rica em magnésio fixe ainda mais carbono.

Esse passo adicional também altera o próprio material, deslocando o foco de “apenas armazenar carbono” para o desempenho do produto dentro de uma estrutura.

Resistência após a cura

Em testes com duração de 30 dias, os depósitos continuaram crescendo ao redor do eletrodo até formarem pedaços em escala de polegadas, em vez de permanecerem como pó solto.

Dentro desses blocos, a porosidade - a quantidade de espaços vazios em um sólido - permitiu que íons continuassem se movimentando e que o crescimento prosseguisse.

Depois de uma carbonatação adicional, a resistência à compressão aumentou de cerca de 14 kgf/cm² (200 pounds per square inch) para mais de 61 kgf/cm² (870).

Condições muito alcalinas ainda causaram a desagregação de parte do material, indicando que a durabilidade vai depender do ambiente e do tipo de aplicação escolhidos pelos construtores.

Mantendo os oceanos fora do processo

Em vez de liberar dióxido de carbono diretamente na água do mar aberta, a equipe propõe que essa química ocorra em reatores modulares instalados próximos à costa.

Nessas unidades costeiras, seria possível controlar a água de entrada, capturar subprodutos e tratar o líquido remanescente antes de devolvê-lo ao mar.

“Poderíamos criar uma circularidade em que sequestramos CO2 bem na fonte”, disse Rotta Loria.

Isso importa porque uma ferramenta climática promissora fica muito mais difícil de defender se, ao mesmo tempo, perturbar os ecossistemas ao redor.

Direções futuras de pesquisa

Uma análise de 2018, da Chatham House, estimou que a produção de cimento responde por cerca de 8% das emissões globais de dióxido de carbono.

Para que esse novo material realmente diminua a carga climática do cimento, a eletricidade que o alimenta precisará ser limpa e ter custo razoável.

Tensões mais altas também acionaram uma química relacionada ao cloro no eletrodo positivo, lembrando que projetos industriais devem administrar reações paralelas com cuidado.

Os pesquisadores ainda precisam de testes de desgaste mais severos, já que materiais de construção falham por abrasão e impacto com a mesma frequência que por compressão.

Ingredientes de construção que armazenam emissões

Além do concreto, a mesma produção mineral pode abastecer cimento, gesso, tinta ou projetos de restauro que demandem sólidos ricos em cálcio e magnésio.

Como as partículas podem crescer sobre um eletrodo ou se desprender e circular na solução, as fábricas conseguiriam atender cadeias de suprimento diferentes.

Essa flexibilidade de manufatura pode explicar o interesse do setor, já que a captura de carbono tende a sobreviver por mais tempo quando termina como um ingrediente vendável.

O que parece gás residual em um processo passa a se parecer com matéria-prima em outro.

Água do mar, eletricidade e carbono capturado agora conseguem gerar ingredientes de construção que armazenam emissões, substituem material extraído e ainda produzem hidrogênio útil.

Se a ideia vai se tornar prática comum na construção dependerá do desenho do reator, de energia limpa, do custo e de evidências sólidas obtidas em testes maiores.