Dióxido de carbono (CO₂): propriedades, impacto e aplicações

O que é dióxido de carbono?

O dióxido de carbono (CO₂), um gás incolor e inodoro, a sua estrutura molecular é linear, com um átomo de carbono central ligado a dois átomos de oxigénio através de ligações covalentes duplas.

O CO₂ está naturalmente presente em pequenas quantidades na atmosfera terrestre e é crucial para a fotossíntese, o processo em que as plantas o convertem em oxigénio. Por outro lado, também desempenha um papel significativo como um gás com efeito de estufa, contribuindo para o aquecimento global e para as alterações climáticas.

A descoberta do dióxido de carbono remonta ao século XVII, quando o químico Jan Baptist van Helmont foi o primeiro a identificar um gás (que hoje sabemos ser CO₂) libertado durante a combustão do carvão. No entanto, foi apenas em meados do século XVIII que Joseph Black isolou e estudou as propriedades deste gás, a que chamou "ar fixo", demonstrando que ele era um componente distinto do ar e que se libertava da combustão e da respiração. Mais tarde, Antoine Lavoisier confirmou a sua composição, estabelecendo que o dióxido de carbono era um composto de carbono e oxigénio, o que levou à sua nomenclatura moderna.

Propriedades químicas e físicas

O dióxido de carbono apresenta propriedades físico-químicas distintas que definem os seus estados e o seu comportamento.

Propriedades físicas

• Estado físico: Dependendo da temperatura e da pressão, o CO₂ pode existir sob várias formas: gasosa, líquida, sólida (conhecida como gelo seco) e supercrítica. O estado supercrítico é uma fase fluida com propriedades intermédias entre as de um líquido e as de um gás.
• Propriedades físicas detalhadas:
  • Peso molecular: 44,01 g/mol
  • Ponto de sublimação (à pressão atmosférica): -78,5°C
  • Densidade (gás a 0°C, 1 atm): 1,977 kg/m³ (cerca de 1,5 vezes mais denso do que o ar)
  • Solubilidade em água: Muito solúvel (forma o ácido carbónico)
  • Inflamabilidade: Não inflamável
  • Toxicidade: Não tóxico a baixas concentrações, mas apresenta riscos a níveis mais elevados.

Comportamento químico

O CO₂ é geralmente um gás estável e relativamente inerte em condições padrão. No entanto, embora seja estável, participa em reações-chave, como a fotossíntese, e pode reagir com alguns metais a temperaturas elevadas.

Isótopos do carbono no CO₂

O dióxido de carbono que circula na atmosfera não é todo igual: o átomo de carbono que o compõe pode existir em diferentes formas, chamados isótopos. O ¹²C é o mais comum, seguido por uma pequena fração de ¹³C e vestígios de ¹⁴C. Este último, radioativo, é utilizado em técnicas de datação. A proporção entre ¹²C e ¹³C no CO₂ funciona como uma espécie de "assinatura", permitindo rastrear origens e processos, desde a fotossíntese em plantas até fenómenos geológicos. Essa perspetiva isotópica é hoje uma ferramenta valiosa em estudos ambientais e no acompanhamento de cadeias de valor ligadas ao carbono.

Fontes e produção de dióxido de carbono

O dióxido de carbono está naturalmente presente na atmosfera, mas as atividades humanas aumentaram significativamente a sua concentração desde a Revolução Industrial.

Fontes naturais e antropogénicas

O ciclo do carbono descreve o movimento contínuo do carbono entre a atmosfera, os oceanos e a terra. As fontes naturais de CO₂ incluem:

• A respiração celular e a decomposição de plantas e animais.
• A libertação de gases por vulcões e outros processos geológicos.
• Os oceanos que absorvem o CO₂ atmosférico.

Contudo, as atividades humanas, conhecidas como fontes antropogénicas, têm aumentado significativamente a concentração atmosférica de CO₂, principalmente através da queima de combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural), da desflorestação e do desassoreamento de zonas húmidas. Outras fontes importantes incluem a produção de cimento e aço.

Produção industrial e captura do CO₂

O dióxido de carbono para uso industrial é obtido a partir de diversas fontes e passa por processos de purificação rigorosos. Para além de ser um subproduto de alguns processos industriais (como a fermentação), as tecnologias modernas de captura do CO₂ são cada vez mais importantes.

• Captura pós-combustão: O método mais comum, que extrai o CO₂ dos gases de escape após a combustão.
• Oxicombustão: A combustão de combustíveis fósseis em oxigénio puro, que produz um gás de escape altamente concentrado em CO₂, facilitando a sua separação e purificação.
• Captura direta do ar (DAC): Uma tecnologia emergente que permite capturar o CO₂ diretamente do ar ambiente, com um enorme potencial para mitigar emissões difusas.

Papel do CO₂ na atmosfera e no efeito estufa

Função natural no ciclo do carbono

O ciclo do carbono descreve o movimento contínuo do carbono entre a atmosfera, os oceanos, a terra e as formações geológicas. Sob a forma de CO₂, o carbono ajuda a controlar a temperatura da Terra. Uma quantidade insuficiente tornaria o planeta demasiado frio para manter sustentar, enquanto um excesso aumentaria significativamente as temperaturas a nível global.

Impacto no aquecimento global

O dióxido de carbono é um gás com efeito de estufa que retém o calor na atmosfera. O aumento das suas concentrações atmosféricas provoca uma subida da temperatura média global, o que se traduz em ondas de calor mais intensas, frequentes e persistentes, bem como em outros fenómenos meteorológicos extremos, como furacões, chuvas fortes, inundações e secas.

Concentrações históricas e projeções futuras

Durante centenas de milhares de anos, a concentração de CO₂ na atmosfera manteve-se relativamente estável, oscilando entre 180 e 280 ppm em ciclos naturais. Com a Revolução Industrial, esses valores começaram a subir de forma rápida: no início do século XX, os valores estavam em torno de 300 ppm, e em 2023 ultrapassámos as 420 ppm, um nível sem precedentes nos registos geológicos recentes.

As projeções futuras dependem dos cenários de emissões: se houver forte mitigação, espera-se uma estabilização ainda neste século. Sem uma ação significativa, as concentrações podem ultrapassar de 600 a 800 ppm até 2100. Estes números são indicadores diretos de pressões sobre o clima, ecossistemas e cadeias económicas ligadas à energia e produção.

Consequências para o clima e ecossistemas

A subida da temperatura e as alterações nos padrões de precipitação têm impactos significativos nos ecossistemas aquáticos e terrestres. Nos oceanos, o aumento da absorção de CO₂ atmosférico provoca a sua acidificação, o que tem um impacto em inúmeras espécies marinhas, em particular em organismos como ostras e corais. Em terra, as alterações climáticas podem levar a mudanças nos ciclos de crescimento das plantas e a um risco acrescido de secas e de incêndios florestais, afetando a agricultura e a biodiversidade.

Aplicações comerciais e industriais do dióxido de carbono

O dióxido de carbono é um gás industrial extremamente versátil, com aplicações nas suas formas gasosa, líquida, sólida (gelo seco) e supercrítica.

1. Uso na indústria alimentar

O CO₂ é um gás essencial nas indústrias de alimentação e bebidas. É amplamente utilizado para a carbonatação de bebidas gaseificadas, como refrigerantes, águas com gás e cervejas, onde a sua qualidade assegura uma efervescência perfeita. Também é usado no acondicionamento em atmosfera protetora (MAP) para prolongar a vida útil dos produtos e atua como um conservante natural, inibindo o crescimento microbiano. Na viticultura, o CO₂ é utilizado na inertização para proteger os mostos. Na sua forma líquida é utilizado no setor alimentar para diversas aplicações criogénicas como para o controlo de temperatura, a congelação, o arrefecimento, a formação de crostas, endurecimento e moldagem criogénica, etc.

2. Aplicações no setor da agricultura

Na agricultura, o CO₂ desempenha um papel crucial nas estufas, onde a sua concentração controlada aumenta o ritmo da fotossíntese, resultando num maior crescimento das plantas e em rendimentos superiores.

3. Uso como fluído refrigerante e na soldadura

O CO₂ é um fluído refrigerante eficaz. Na sua forma sólida (gelo seco), é amplamente utilizado no controlo e na manutenção da temperatura durante o transporte e armazenamento de alimentos e produtos sensíveis. Na soldadura, o CO₂ serve como gás de proteção em processos MIG/MAG, protegendo o banho de fusão da oxidação. Em combinação com outros gases, é usado para melhorar a velocidade da soldadura e reduzir a necessidade de tratamentos posteriores.

4. CO₂ em processos químicos

O CO₂ é uma matéria-prima valiosa na indústria química. A sua forma supercrítica é utilizada para a extração de compostos em indústrias como a farmacêutica e a cosmética. Também é usado como precursor na produção de uma vasta gama de produtos químicos, incluindo polímeros, metanol e ureia.

5. Aplicações médicas

O CO₂ tem várias aplicações no setor médico. É utilizado em crioterapia para a remoção de lesões cutâneas e, em combinação com oxigénio, para estimular a respiração. É também um gás de insuflação em cirurgias minimamente invasivas, como a laparoscopia, para expandir cavidades corporais e permitir uma melhor visualização.

Solução da Air Liquide para o fornecimento e a gestão do CO₂

A Air Liquide está na vanguarda da gestão do CO₂, oferecendo soluções inovadoras para acelerar a descarbonização industrial e apoiar os projetos de transição energética dos nossos clientes. Propomos o fornecimento de CO₂ com baixo teor de carbono (como a solução ECO ORIGIN™), produzido a partir de fontes biogénicas. Oferecemos também, o Eco Chiller, uma solução automatizada para a valorização de frigorias de gás através da recuperação da potência de refrigeração dos gases criogénicos durante a sua vaporização, desta forma, para vaporizar o CO₂ líquido já não é necessário consumir energia elétrica. A nossa experiência estende-se à gestão do CO₂, fornecendo soluções avançadas para a purificação e a liquefação do CO₂ capturado, garantindo a sua qualidade e um transporte eficiente para várias aplicações industriais.

Riscos, impactos ambientais e à saúde

O dióxido de carbono, apesar da sua importância, apresenta riscos significativos, especialmente em espaços confinados. A sua gestão requer um profundo entendimento dos seus impactos na saúde humana e nos ecossistemas.

Toxicidade e efeitos da exposição humana

O CO₂ pode ter efeitos adversos na saúde, principalmente em altas concentrações. A inalação em excesso pode levar a:

• Dificuldade respiratória: Sintomas como falta de ar e dificuldade respiratória grave.
• Mal-estar geral: Dores de cabeça, tonturas e desorientação.
• Aumento do ritmo cardíaco: O coração acelera para compensar a diminuição dos níveis de oxigénio.
• Outros impactos: Exposição prolongada pode causar confusão, alterações cognitivas e, em casos extremos, perda de consciência ou morte por asfixia.

Impactos ambientais e no clima

O aumento das concentrações atmosféricas de CO₂, impulsionado por fontes antropogénicas, está no centro das alterações climáticas. Como um gás com efeito de estufa, o CO₂ aprisiona o calor na atmosfera, causando o aumento da temperatura média global.

• Oceano: A absorção de CO₂ pelos oceanos leva à sua acidificação, um fenómeno que prejudica a vida marinha, em particular os organismos com conchas e esqueletos de carbonato de cálcio, como os corais e as ostras.
• Clima e ecossistemas: As temperaturas mais elevadas e as alterações nos padrões de precipitação levam a fenómenos meteorológicos extremos, como secas, inundações e incêndios florestais mais frequentes, afetando a agricultura e a biodiversidade.

Regulamentações e protocolos internacionais

Para fazer face a estes desafios, o setor industrial e os governos estão a seguir diversos quadros normativos. A União Europeia, por exemplo, estabeleceu regulamentações robustas para a descarbonização, como o Sistema de Comércio de Emissões (ETS) e o pacote "Fit for 55", em linha com os objetivos do antigo Protocolo de Kyoto (de 1997) e do ainda mais completo Acordo de Paris (2016), que o substituiu e que visa a neutralidade carbónica até 2050.

Medidas de mitigação e adaptação

As medidas de mitigação visam reduzir as emissões de CO₂ na origem, enquanto as de adaptação preparam as sociedades para os efeitos inevitáveis das alterações climáticas. As principais medidas de mitigação incluem:

• A captura e armazenamento de carbono (CCS) em indústrias pesadas.
• O uso de energias renováveis e a promoção da eficiência energética.
• A agricultura de precisão, um tipo de agricultura que se apoia na tecnologia e na inteligência artificial para recolher informação sobre as culturas agrícolas e delinear estratégias para produzir mais com menos recursos e com o mínimo impacto ambiental.
• A otimização de processos industriais.

Tecnologias para captura, sequestro e redução de emissões

A Captura, Utilização e Armazenamento de Carbono (CCUS) representa um conjunto de tecnologias concebidas para impedir que o dióxido de carbono penetre na atmosfera ou para o remover diretamente uma vez emitido. Este processo abrange três fases principais: a captura, o transporte e o armazenamento, bem como a utilização.

1. Captura e armazenamento de carbono (CCS): Estas tecnologias extraem o CO₂ de fontes industriais ou diretamente do ar.
   • Captura pós-combustão: Este método, o mais comum e consolidade, captura o CO₂ dos gases de combustão depois de os combustíveis fósseis terem sido queimados. Utiliza frequentemente solventes ou sorventes para separar o CO₂ de outros gases.
   • Oxicombustão: Implica a combustão de combustíveis fósseis em oxigénio puro em vez de ar. Isso produz um gás de combustão altamente concentrado, composto principalmente por CO₂ e H₂O, tornando a separação e a purificação do CO₂ muito mais fáceis.
   • Transporte e armazenamento de CO₂: Uma vez capturado, o CO₂ é geralmente comprimido e transportado, frequentemente através de canalizações ou navios, para locais de armazenamento a longo prazo. O armazenamento geológico envolve a injeção de CO₂ em profundidade sob a terra em formações geológicas seguras, como aquíferos salinos ou jazidas de petróleo e gás esgotadas, onde é sequestrado de forma permanente.
2. Tecnologias emergentes: A Captura Direta do Ar (DAC) é uma tecnologia que permite capturar o CO₂ diretamente do ar ambiente. Embora ainda esteja numa fase de desenvolvimento inicial e seja dispendiosa, a DAC tem um potencial imenso para mitigar as emissões provenientes de fontes difusas ou para remover o CO₂ já presente na atmosfera.
3. Economia circular e uso sustentável do CO₂: Em vez de um armazenamento permanente, o CO₂ capturado pode também ser utilizado como um recurso valioso em diversos processos industriais, criando assim uma economia circular do carbono. O dióxido de carbono é usado:
   • Como matéria-prima para a produção de produtos químicos, incluindo polímeros, metanol e ureia.
   • Na produção de materiais de construção, como o cimento e o betão.
   • Na conversão em combustíveis de síntese (por exemplo, os e-combustíveis) que podem substituir os combustíveis fósseis.

Para apoiar estas iniciativas tecnológicas, os mercados de carbono voluntários são um instrumento essencial para acelerar a transição para uma sociedade neutra em carbono. Estes mercados permitem que empresas e indivíduos participem na ação climática, financiando projetos que geram créditos de carbono ou adquirindo esses créditos para compensar as suas emissões residuais. Esta abordagem reforça o alinhamento com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável para 2030.

Futuro do dióxido de carbono e perspectivas globais

A gestão do dióxido de carbono é um dos maiores desafios do nosso tempo. As perspetivas globais apontam para a necessidade urgente de se inovar e agir para mitigar o seu impacto.

Novos desenvolvimentos científicos

A ciência continua a avançar na procura de soluções. A Captura Direta do Ar (DAC) é uma das tecnologias mais promissoras, com um potencial imenso para remover o CO₂ diretamente da atmosfera, mesmo de fontes difusas. O desenvolvimento de combustíveis de síntese (e-combustíveis) a partir do CO₂ capturado também se destaca como um importante avanço científico, permitindo criar uma economia circular do carbono para substituir os combustíveis fósseis.

Políticas públicas e iniciativas globais

As políticas públicas estão a alinhar-se com a urgência climática. Iniciativas globais como o Acordo de Paris e regionais como o Pacto Ecológico Europeu estabelecem metas ambiciosas para a redução de emissões e a transição para uma economia neutra em carbono. Estes quadros normativos estimulam a inovação e o investimento em tecnologias sustentáveis, direcionando o mercado para um futuro com baixo carbono.

Impacto esperado nas próximas décadas

Sem uma ação significativa, as projeções indicam que a subida da temperatura global continuará a intensificar os fenómenos meteorológicos extremos, como furacões e secas. A acidificação dos oceanos e a perda de biodiversidade serão consequências cada vez mais sentidas. No entanto, com a implementação de medidas de mitigação e adaptação, o impacto pode ser significativamente reduzido, salvaguardando os ecossistemas e as economias.

Como é que os indivíduos e as empresas podem contribuir para a redução

O setor industrial é um ator chave. As empresas podem contribuir significativamente ao investir em tecnologias de captura e armazenamento de carbono (CCS), ao otimizar os seus processos para aumentar a eficiência energética e ao integrar soluções de gases com baixo teor de carbono, como o ECO ORIGIN™. A adoção de uma economia circular do CO₂ e o apoio a inovações tecnológicas são também um meio fundamental para a descarbonização.

Contudo, individualmente, também podemos contribuir para a redução do CO₂ na atmosfera: reciclando, diminuindo o consumo de carne e lacticínios, optando por fontes de energia renováveis e por transportes públicos, etc.

Perguntas frequentes (FAQ)

O que torna o CO₂ um gás de efeito de estufa?
O CO₂ é um gás com efeito de estufa porque tem a capacidade de absorver o calor retido na atmosfera, aprisionando-o e impedindo que seja libertado para o espaço. A sua elevada concentração e longa permanência na atmosfera tornam-no o principal impulsionador das alterações climáticas.

Como o CO₂ afeta o clima?
O aumento da concentração de CO₂ na atmosfera aumenta a temperatura média global. Isso traduz-se em fenómenos meteorológicos extremos, como ondas de calor mais intensas, furacões mais potentes, chuvas fortes, inundações e secas.

Quais são as principais fontes de emissões de CO₂?
As principais fontes de emissões de CO₂ são a queima de combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural), a desflorestação, a produção de cimento e de aço e a indústria química.

Quais medidas podemos tomar para reduzir a nossa pegada de carbono?
A redução da pegada de carbono pode ser conseguida através da promoção da eficiência energética, do investimento em tecnologias de captura e armazenamento de carbono (CCS), e do uso de energias renováveis. No âmbito individual, pode-se contribuir através da reciclagem, da diminuição do consumo de carne e da preferência por transportes públicos.

O CO₂ é tóxico para os seres humanos?
A baixas concentrações, o CO₂ não é tóxico. No entanto, em espaços confinados, a sua concentração elevada pode ser perigosa e ter efeitos negativos nos seres humanos: tonturas, dores de cabeça, dificuldade respiratória grave, confusão, entre outros.