Precursor-Dependent Effect of Urea Functionalization on CO₂ Capture by K₂CO₃- Activated Carbon Derived from Tembesu Wood and Bark

Resumo Técnico: Efeito Dependente do Precursor da Funcionalização com Ureia na Captura de CO₂ por Carvão Ativado com K₂CO₃ Derivado de Madeira e Casca de Tembesu

Definição do Problema
O aumento contínuo do CO₂ atmosférico exige o desenvolvimento de tecnologias de captura de carbono eficazes e de baixo consumo energético. Embora materiais de carbono porosos sejam promissores devido à sua estabilidade e propriedades ajustáveis, seu desempenho é altamente sensível à química de superfície e à estrutura de poros. Existe uma lacuna crítica na compreensão de como frações anatômicas específicas de uma única espécie de biomassa respondem à ativação química e à funcionalização com nitrogênio. As abordagens convencionais frequentemente tratam os precursores de biomassa como homogêneos ou assumem que a funcionalização com nitrogênio (por exemplo, via ureia) aumenta universalmente a adsorção de CO₂. Este estudo aborda se a eficácia da funcionalização com ureia é dependente da origem anatômica específica (madeira interna vs. casca) do precursor de biomassa, utilizando o resíduo da madeira de Tembesu (Fagraea fragrans) como um recurso renovável modelo.

Metodologia
A pesquisa utilizou resíduos de madeira de Tembesu, separados em duas frações distintas: madeira interna e casca. O processo de síntese envolveu três estágios sequenciais:

1. Carbonização Hidrotérmica (HTC): Ambas as frações foram convertidas em hidrochar a 160 °C por 6 horas.
2. Ativação Química: Os hidrochares foram ativados usando carbonato de potássio (K₂CO₃) a 600 °C para produzir carvões ativados (designados como KA-KT para madeira interna e KA-KKT para casca).
3. Funcionalização com Nitrogênio: Os carvões ativados foram tratados com ureia via uma rota hidrotérmica a 160 °C para introduzir funcionalidades de nitrogênio, resultando em KA-KT-N e KA-KKT-N.

Os materiais resultantes foram caracterizados utilizando:

• Análise Termogravimétrica (TGA): Para avaliar a estabilidade térmica oxidativa e a retenção de umidade/voláteis.
• Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) com ImageJ: Para avaliar a morfologia de superfície e os diâmetros aparentes de abertura de poros.
• Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR): Para identificar grupos funcionais de superfície.
• Difração de Raios X (XRD): Para determinar o ordenamento estrutural e a cristalinidade.
• Dessorção Programada de Temperatura de CO₂ (CO₂-TPD): Para quantificar a capacidade de adsorção de CO₂ e a força de interação.

Principais Resultados
O estudo revelou um contraste marcante na forma como as duas frações de biomassa responderam aos processos de síntese e funcionalização:

• Evolução Estrutural e Morfológica: A ativação com K₂CO₃ transformou a estrutura lignocelulósica em uma estrutura de carbono desordenada. A análise SEM mostrou que o carbono derivado da madeira interna (KA-KT) possuía uma morfologia tipo colmeia interconectada, enquanto o carbono derivado da casca (KA-KKT) exibiu aberturas de poros mais isoladas. O tratamento com ureia induziu mudanças morfológicas dependentes do precursor: o diâmetro médio de abertura de poro aparente do carbono da madeira interna mudou minimamente (de 517 nm para 521 nm), enquanto o carbono derivado da casca apresentou um aumento significativo (de 572 nm para 615 nm).
• Comportamento Térmico: A TGA indicou que o carbono da madeira interna (KA-KT) teve uma perda de massa em baixa temperatura significativamente maior (26,79%) em comparação ao carbono derivado da casca (9,17%), sugerindo diferenças na retenção de umidade e voláteis. O tratamento com ureia reduziu essa perda para a fração da madeira interna, mas teve um efeito negligenciável na fração da casca.
• Desempenho de Captura de CO₂: O achado mais significativo foi a resposta divergente à funcionalização com ureia em relação à captação de CO₂:
  • Madeira Interna (KA-KT): Alcançou a maior captação inicial de CO₂ entre as amostras não funcionalizadas (2,1844 mmol g⁻¹). O tratamento com ureia diminuiu levemente o desempenho em aproximadamente 4,0% (para 2,0966 mmol g⁻¹).
  • Casca (KA-KKT): Inicialmente apresentou a menor captação (1,3835 mmol g⁻¹). No entanto, a funcionalização com ureia aumentou o desempenho em aproximadamente 55,3%, elevando a captação para 2,1485 mmol g⁻¹.

Contribuições e Alegações Principais
O artigo alega que a influência da funcionalização com nitrogênio na adsorção de CO₂ não é uma regra universal, mas é fortemente dependente do precursor. O estudo demonstra que:

1. A Fração Anatômica Importa: Mesmo dentro de uma única espécie de madeira, a madeira interna e a casca possuem características físico-químicas distintas que ditam sua evolução estrutural durante a ativação e sua subsequente resposta à modificação de superfície.
2. A Funcionalização Não é Universalmente Benéfica: Aplicar o tratamento com ureia a todos os carvões derivados de biomassa não é uma estratégia ideal. Para a madeira interna de Tembesu, a ativação com K₂CO₃ isolada produz um adsorvente altamente eficaz, e a funcionalização adicional pode ser contraproducente. Inversamente, para a casca de Tembesu, a funcionalização com ureia é essencial para desbloquear um alto potencial de captura de CO₂.
3. Relações Estrutura-Propriedade: Os resultados destacam que a captação de CO₂ é governada por uma interação complexa entre a composição intrínseca da biomassa, o desenvolvimento estrutural induzido pela ativação e as mudanças específicas na química de superfície introduzidas pela funcionalização. As dimensões externas de abertura de poros (vistas em SEM) não determinam sozinhas a capacidade de adsorção; em vez disso, a acessibilidade dos microporos e a natureza das funcionalidades de superfície são críticas.

Significância
A significância deste trabalho reside no fato de ele desafiar a suposição de uniformidade no design de adsorventes derivados de biomassa. Ao mostrar que estratégias de funcionalização do tipo "tamanho único" podem falhar ou até degradar o desempenho dependendo da fração específica de biomassa utilizada, o estudo defende uma abordagem mais matizada para o desenvolvimento de adsorventes sustentáveis. Ele sugere que a seleção do precursor e o fracionamento são parâmetros de design críticos. Os resultados apoiam a valorização do resíduo de madeira de Tembesu como um recurso renovável, onde a madeira interna pode servir como um adsorvente de alto desempenho com processamento mínimo, enquanto a casca requer uma funcionalização específica com nitrogênio para alcançar eficiência comparável. Esta abordagem alinha-se aos princípios da economia circular ao maximizar a utilidade de diferentes fluxos de resíduos com base em suas propriedades materiais específicas.