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Pesquisadores da Universidade de Kyushu revelaram que um material zeólito chamado Na-ZSM-5 é eficaz em melhorar a conversão química de biomassa em olefinas — um precursor químico que faz de tudo, de plásticos a produtos farmacêuticos — usando micro-ondas. Publicando seu trabalho em Revista de Engenharia Químicaa equipe explica que o aquecimento por micro-ondas de Na-ZSM-5 pode abrir portas para uma indústria química mais sustentável e com maior eficiência energética.
Se você quer sintetizar compostos orgânicos complexos, sejam eles plásticos, produtos farmacêuticos ou aditivos alimentares, geralmente precisa começar com precursores químicos com estruturas simples. Naturalmente, encontrar maneiras de sintetizar precursores químicos de forma eficiente e sustentável é um campo amplamente pesquisado.
Um método comumente usado para sintetizar esses produtos químicos essenciais é por meio de um processo chamado reforma da nafta. No entanto, esse processo requer altas quantidades de energia e libera dióxido de carbono. Resíduos de óleo de cozinha e óleos de microalgas têm sido considerados fontes alternativas e baratas para sintetizar esses produtos químicos simples.
Esses óleos podem ser convertidos usando um método chamado ‘craqueamento catalítico’ com a ajuda de um material chamado zeólita. Zeólita é um material natural poroso, comumente usado como catalisador ou como absorvente. No processo de craqueamento catalítico, os materiais precisam ser aquecidos a temperaturas tão altas quanto 500-600°C. Além de ser muito intensivo em energia, operar em tais temperaturas pode causar um acúmulo de depósitos indesejados, um fenômeno conhecido como coque, que reduz a vida útil do catalisador.
No presente estudo, o professor associado Shuntaro Tsubaki da Faculdade de Agricultura da Universidade de Kyushu e sua equipe fizeram experimentos com micro-ondas para aquecer catalisadores de zeólita até a temperatura necessária sem os efeitos negativos da coqueificação.
“As micro-ondas interagem diretamente com os materiais e podem seletivamente fornecer energia a eles, permitindo economias significativas de energia em comparação aos processos convencionais de convecção de calor”, explica Tsubaki. “Em particular, as micro-ondas podem acelerar a catálise gás-sólido passando diretamente pela fase gasosa e aquecendo seletivamente o catalisador sólido. Elas conseguem isso formando pontos quentes espaciais dentro do leito do catalisador.”
Em seu estudo, os pesquisadores primeiro compararam vários catalisadores de zeólita, procurando aqueles que poderiam ser efetivamente aquecidos por micro-ondas e fornecer bom desempenho catalítico. Usando análises teóricas e experimentais, eles reduziram para Na-ZSM-5, uma zeólita substituída por íons de sódio.
Em seguida, para mostrar as vantagens do aquecimento por micro-ondas em relação ao aquecimento convencional, os pesquisadores realizaram uma conversão catalítica de oleato de metila. Quando o aquecimento por micro-ondas foi usado, o Na-ZSM-5 superou outros catalisadores, alcançando uma alta eficiência de conversão de ésteres de ácidos graxos em olefinas com alta seletividade. Além disso, a produção de dióxido de carbono foi suprimida para apenas 1,3% da saída total da reação, e o monóxido de carbono não foi produzido.
Mais importante, o aquecimento por micro-ondas de Na-ZSM-5 a 500°C resultou em uma produção de olefina quatro vezes maior em comparação ao aquecimento convencional a 500°C. Isso foi causado em parte por uma maior seletividade de Na-ZSM-5 para produzir olefinas em vez de outros compostos. Além disso, a formação de coque não foi observada quando o aquecimento por micro-ondas foi usado, mesmo na alta temperatura de 600°C.
Finalmente, para esclarecer por que o aquecimento por micro-ondas melhorou vários aspectos do processo catalítico, os pesquisadores analisaram as mudanças estruturais locais na zeólita quando exposta a micro-ondas. Curiosamente, eles descobriram que a absorção de micro-ondas causou temperaturas localizadas de mais de 1000°C na estrutura cristalina da zeólita, mesmo quando a temperatura do material a granel permaneceu em 500°C. Essas temperaturas extremas foram provavelmente responsáveis por impulsionar a produção seletiva de olefinas.
O aquecimento de catalisadores por micro-ondas pode melhorar significativamente a conversão catalítica de biomassa e ajudar a atingir as metas de sustentabilidade da indústria química moderna.
“Espera-se que nossas descobertas contribuam para a eletrificação adicional da indústria química. Como as micro-ondas podem ser geradas a partir de fontes de energia renováveis, como solar e eólica, podemos reduzir o impacto ambiental da síntese desses produtos químicos fundamentais”, destaca Tsubaki.
Os pesquisadores estão planejando aprimorar ainda mais os processos catalíticos acionados por micro-ondas, buscando melhorar o rendimento e a eficiência energética enquanto aumentam sua capacidade. Eles esperam que seus esforços possam levar a uma nova era na fabricação química sustentável.
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