Preparação e caracterização de carvões ativados de baixo custo quimicamente ativados com H3PO4, ZnCl2 e KOH para aplicações de adsorção de CO2

Transformando madeira residual em aliados do clima

O aumento dos níveis de dióxido de carbono (CO2) é um dos principais motores do aquecimento global, e grande parte desse gás vem de usinas e indústrias que queimam combustíveis fósseis. Capturar o CO2 antes que ele chegue à atmosfera é uma estratégia promissora para reduzir as mudanças climáticas, mas os métodos atuais frequentemente empregam líquidos caros ou corrosivos. Este estudo explora uma ideia mais simples: transformar a madeira de baixo valor do parrotia persica, uma árvore comum no norte do Irã, em materiais altamente porosos semelhantes a carvão que podem aprisionar CO2 de forma eficiente e econômica.

De subproduto florestal a carvão engenheirado

Os pesquisadores partiram da madeira de Parrotia persica, que cresce abundantemente nas florestas hircânicas e tem pouco valor comercial. Após limpar e moer a madeira, eles a aqueceram na ausência de oxigênio para convertê-la em um sólido rico em carbono, e em seguida a trataram com três produtos químicos diferentes: um ácido forte (ácido fosfórico), um sal de zinco (cloreto de zinco) e uma base forte (hidróxido de potássio). Cada reagente interage de forma distinta com os polímeros naturais da madeira durante o aquecimento, escavando uma rede de poros minúsculos e ajustando a área de superfície disponível para que os gases se adsorvam. Ao variar a quantidade de reagente e a temperatura de aquecimento, eles criaram uma família de carvões ativados com estruturas de poros distintas.

Projetando cavidades minúsculas para o CO2

Por que os poros importam? A captura de gás em materiais sólidos funciona porque as moléculas se fixam às superfícies por forças elétricas fracas. Quanto maior a área de superfície interna e quanto mais apropriado for o tamanho das cavidades, mais moléculas o material pode acomodar. A equipe mediu o tamanho dos poros e a área de superfície com gás nitrogênio e microscopia. O cloreto de zinco produziu a maior área de superfície—cerca de 1.925 metros quadrados por grama, comparável a espalhar uma quadra de tênis sobre um cubo de açúcar. O ácido fosfórico, porém, gerou carvões com volumes de poro especialmente grandes e uma mistura de poros ultrafinos e ligeiramente maiores, além de muitos grupos de superfície contendo oxigênio. Essas características químicas reforçam as interações com o CO2, que é ligeiramente polarizado e atraído por sítios polares ou básicos na superfície do carbono.

Quão bem esses sorventes capturam CO2?

Os pesquisadores testaram a absorção de CO2 em pressões de até 14 bar e próximas à temperatura ambiente, condições semelhantes às de correntes de exaustão industriais. Todas as amostras mostraram maior captação de CO2 em temperaturas mais baixas, consistente com um processo físico de "adesão": conforme as moléculas de gás aquecem, movem-se mais rápido e tendem a permanecer menos tempo presas. Entre os materiais, o carvão ativado com ácido fosfórico e maior razão de tratamento (rotulado ACH3) alcançou a melhor capacidade de CO2 a 1 bar e 25 °C, superando ligeiramente a amostra tratada com cloreto de zinco apesar de sua área de superfície um pouco menor. Essa vantagem decorreu de seu maior volume de poros e de uma química de superfície mais rica. A análise do calor liberado durante a adsorção confirmou que o CO2 foi retido principalmente por forças físicas em vez de formar novas ligações químicas, o que é importante porque indica que o material pode ser regenerado com aquecimento moderado e reutilizado muitas vezes.

Separando CO2 dos componentes comuns do ar

Capturar CO2 do gás de combustão não é apenas uma questão de quanto ele pode reter, mas também de quanto prefere o CO2 em relação a outros gases como o nitrogênio (N2), que compõe a maior parte do ar. Ao combinar medições do comportamento de cada gás nos carvões com uma teoria preditiva bem estabelecida, a equipe estimou quão seletivamente os materiais adsorveriam CO2 de uma mistura CO2/N2. Tanto os carvões ativados com ácido fosfórico quanto os com cloreto de zinco mostraram forte seletividade, favorecendo CO2 em relação ao N2 por um fator de aproximadamente 20 à pressão atmosférica. A amostra tratada com hidróxido de potássio foi menos seletiva, provavelmente porque sua rede de poros era mais grosseiramente atacada e parcialmente obstruída, oferecendo menos sítios com o tamanho ideal para o CO2 se alojar. Importante: todos os carvões de melhor desempenho mantiveram desempenho quase constante ao longo de vários ciclos de adsorção–dessorção, o que sugere que podem suportar uso repetido em sistemas reais.

O que isso significa para a captura futura de CO2

Para um público não especializado, a mensagem principal é direta: um subproduto florestal de baixo valor pode ser transformado em um carbono poroso e afinado que captura CO2 de forma eficiente, prefere fortemente o CO2 ao nitrogênio e pode ser reutilizado várias vezes. Entre as abordagens testadas, os tratamentos com ácido fosfórico e com sal de zinco aplicados à madeira persa produziram materiais especialmente promissores, equilibrando alta área de superfície, tamanhos de poro bem ajustados e química de superfície favorável. Embora as previsões do estudo sobre o desempenho em misturas gasosas ainda precisem ser verificadas em testes em fluxo em escala real, o trabalho mostra que um “carvão” cuidadosamente projetado a partir de biomassa local poderia se tornar uma ferramenta prática e de baixo custo para reduzir as emissões industriais de gases de efeito estufa.

Citação: Bandani, M., Najafi, M., Khalili, S. et al. Preparation and characterization of low-cost chemically activated carbons using H₃PO₄, ZnCl₂ and KOH for CO₂ adsorption applications. Sci Rep 16, 6288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35319-6

Palavras-chave: captura de carbono, carvão ativado, biomassa, adsorção de CO2, materiais porosos