Termodinâmica da reação de CO2 em soluções aquosas de amônia: abordagem computacional

Abstract

A captura e armazenamento do dióxido de carbono, CO2 (CCS, do inglês carbon capture and storage) assume um papel importante na diminuição das emissões atmosféricas excessivas desse gás para atmosfera, dado que permite capturar, transportar e armazenar o CO2 produzido em processos industriais. Entre as várias iniciativas de pesquisa e desenvolvimento para a captura de CO2, evidencia-se a captura química, na qual o dióxido de carbono reage com solventes com caráter básico. Soluções aquosas de amônia se apresentam como opções para este processo. Soluções aquosas de NH3 possuem uma boa capacidade de absorção, a qual pode ser maior que 1,0 Kg CO2/Kg solução, além de levar a produtos que podem ser utilizados como fertilizantes. O presente trabalho empregou a teoria do funcional da densidade (DFT), utilizando o método CAM-B3LYP/6-311++G(2d,2p), simulando implicitamente o meio aquoso com o modelo contínuo polarizável, para avaliar a reação de dióxido de carbono em soluções aquosas de amônia, explorando a termoquímica das possíveis interações e reações estabelecidas neste sistema. Avaliaram-se inicialmente as interações e os possíveis produtos derivados dos sistemas binários, subconjuntos do sistema ternário CO2/NH3/H2O. Nestes, observou-se que a adição direta do NH3 ou H2O ao CO2 ocorre com baixa barreira de ativação, levando à formação de ácido carbâmico e ácido carbônico e suas respectivas bases conjugadas. Já ao avaliar o sistema ternário, é notável a preferência termodinâmica para a formação do ácido carbâmico frente ao ácido carbônico ou bicarbonato de amônio, porém não ocorre a formação prévia de carbamato. Simulando um possível excesso de amônia, ao trabalhar com duas moléculas de amônia para uma de dióxido de carbono, observou-se um abaixamento dos valores da barreira de ativação e da variação de entalpia para a formação do ácido carbâmico. Foi possível notar que para alcançar resultados mais próximos da realidade experimental é necessário investigar sistemas mais complexos, nos quais ocorram o aumento da quantidade de moléculas de amônia e de água simuladas explicitamente