Anek Suwannaphoom
Refinarias utilizam enormes quantidades de energia térmica para processar petróleo bruto.
a maioria dos químicos industriais passam os seus dias separando os componentes de grandes quantidades de misturas químicas em formas puras ou mais puras. Os processos envolvidos, como a destilação, representam 10-15% do consumo de energia do Mundo 1, 2.
Métodos para purificar substâncias químicas que são mais energia eficiente, poderia, se aplicada para os EUA do petróleo, químicas e de papel fabricação de setores sozinho, salvar a 100 milhões de toneladas de emissões de dióxido de carbono e US$4 bilhões em custos de energia annually3 (consulte “Corte de custos”). Outros métodos permitiriam explorar novas fontes de materiais, extraindo metais da água do mar, por exemplo.
infelizmente, alternativas à destilação, tais como a separação de moléculas de acordo com suas propriedades químicas ou tamanho, são subdesenvolvidas ou dispendiosas de escalar. Os engenheiros da indústria e do mundo académico precisam de desenvolver membranas melhores e mais baratas e outras formas de separar misturas de produtos químicos que não dependem do calor.aqui, destacamos sete processos de separação química que, se melhorados, colheriam grandes benefícios globais. A nossa lista não é exaustiva; quase todos os produtos químicos comerciais resultam de um processo de separação que poderia ser melhorado.hidrocarbonetos de petróleo bruto. Os principais ingredientes para a fabricação de combustíveis fósseis, Plásticos e polímeros são hidrocarbonetos. Todos os dias, refinarias em todo o mundo processam cerca de 90 milhões de barris de petróleo bruto — cerca de 2 litros por cada pessoa no planeta. A maioria faz isso usando a destilação atmosférica, que consome cerca de 230 gigawatts (GW) globalmente 3, equivalente ao consumo total de energia do Reino Unido em 2014 ou cerca de metade do do Texas. Em uma refinaria típica, 200.000 barris por dia de petróleo bruto são aquecidos em colunas de 50 metros de altura para libertar milhares de compostos de acordo com seus pontos de ebulição. Gases leves emergem no topo frio (a cerca de 20 °C); fluidos progressivamente mais pesados saem em pontos mais baixos e mais quentes (até 400 °C).
Fonte: Dados da Ref. /US EIA
encontrar uma alternativa à destilação é difícil porque o petróleo bruto contém muitas moléculas complexas, algumas com altas viscosidades, e muitos contaminantes, incluindo compostos de enxofre e metais como mercúrio e níquel. Em princípio, é possível separar os hidrocarbonetos de acordo com as suas propriedades moleculares, tais como afinidade química ou dimensão molecular. Métodos de separação baseados em membranas, ou outros não-térmicos, podem ser uma ordem de magnitude mais eficiente em energia do que separações movidas pelo calor que usam destilação. Mas pouca pesquisa foi feita.os pesquisadores precisam encontrar materiais capazes de separar muitas famílias de moléculas ao mesmo tempo, e que trabalhem às altas temperaturas necessárias para manter óleos pesados fluindo sem se tornarem bloqueados por contaminantes.urânio proveniente da água do mar. A energia Nuclear será crucial para a futura geração de energia hipocarbónica. Embora a trajetória da indústria nuclear seja incerta, em taxas de consumo atuais, as reservas geológicas conhecidas de urânio (4,5 milhões de toneladas) podem durar uma century4. Existem mais de 4 mil milhões de toneladas de urânio na água do mar a níveis de parte por mil milhões.cientistas têm procurado maneiras de separar o urânio do marwater4 por décadas. Existem materiais capazes de capturar urânio, como polímeros porosos contendo grupos amidoxima. Mas Estas “gaiolas” moleculares também capturam outros metais, incluindo vanádio, cobalto e níquel.os químicos precisam desenvolver processos para remover esses metais, purificando e concentrando urânio da água do mar. Em 1999-2001, as equipes japonesas capturaram cerca de 350 gramas de urânio usando um tecido adsorvente 4. A criação de uma nova central nuclear exige centenas de toneladas de combustível de urânio, pelo que a escala destes processos teria de ser consideravelmente aumentada. Em particular, são necessários esforços para reduzir os custos dos materiais adsorventes.tecnologias similares poderiam capturar outros metais valiosos 4, como o lítio, que é usado em baterias. A quantidade de lítio dissolvido nos oceanos é dez vezes maior do que nos Recursos Terrestres conhecidos; o tamanho limitado deste último pode tornar-se uma barreira de longo prazo para o armazenamento de energia.alcenos de alcanos. O fabrico de plásticos como o polieteno e o poliipropeno requer alquenos-hidrocarbonetos como o eteno e o propeno, também conhecidos como olefinas. A produção anual mundial de eteno e propeno excede 200 milhões de toneladas, cerca de 30 kg por pessoa no planeta. A separação industrial do eteno do etano depende tipicamente da destilação criogénica de alta pressão a temperaturas tão baixas como -160 °C. A purificação do propeno e do eteno, por si só, representa 0,3% do consumo global de energia, aproximadamente equivalente ao consumo anual de energia de Singapura.
Como com o petróleo, encontrando a separação sistemas que não requerem mudança de uma fase para outra, poderia reduzir por um fator de dez a intensidade de energia do processo (energia utilizada por unidade de volume ou peso do produto), e compensar as emissões de carbono por um semelhante amount5. Por exemplo, membranas de carbono poroso estão sendo desenvolvidas que podem separar alcenos gasosos e alcanos (também chamados de parafinas) à temperatura ambiente e a pressões suaves (menos de 10 bar)6. Mas estes não podem ainda produzir os mais de 99,9% de alcenos puros necessários para a fabricação de produtos químicos.a curto prazo, as técnicas de separação “híbrida” podem ajudar a utilizar membranas para a separação a granel e a destilação criogénica para “polir” o produto. Tais abordagens reduziriam a intensidade energética da produção de alceno por um fator de 2 ou 3, até que as membranas se tornassem boas o suficiente para substituir a destilação inteiramente. Um grande obstáculo é a ampliação das membranas — a indústria pode exigir áreas de superfície de até 1 milhão de metros quadrados. A implantação nesta escala exigirá novos métodos de fabricação, bem como avanços nas propriedades dos materiais.gases com efeito de estufa provenientes de emissões diluídas. As emissões antropogénicas de CO2 e outros hidrocarbonetos, como o metano libertado das refinarias e poços, são factores fundamentais para a mudança climática global. É caro e tecnicamente difícil capturar esses gases a partir de fontes diluídas, como usinas de energia, escapamentos de refinarias e ar.líquidos como monoetanolamina reagem prontamente com o CO2, mas como o calor deve ser aplicado para remover o CO2 do líquido resultante, o processo não é economicamente viável para usinas de energia. Se a abordagem fosse aplicada a todas as centrais elétricas dos Estados Unidos, a captura de CO2 poderia custar 30% do crescimento do Produto Interno Bruto do país a cada ano 7. É necessário desenvolver métodos mais baratos para capturar emissões de CO2 e hidrocarbonetos com custos mínimos de energia.um factor de complicação é decidir o que fazer com o produto purificado. O CO2 pode ser usado em um método de produção de petróleo bruto conhecido como recuperação melhorada de petróleo, ou na agricultura vertical e como matérias-primas químicas e Biorrefinarias. Mas as atividades humanas emitem tanto do gás 8 que, na prática, grande parte dele terá de ser armazenado a longo prazo em reservatórios subterrâneos, levantando outras questões.
ORNL
elevada capacidade (HiCap) polímeros podem separar metais como o urânio da solução.metais de terras raras de minérios. Os 15 metais lantanídeos, ou elementos de terras raras, são usados em ímanes, em tecnologias de energia renovável e como catalisadores na refinação de petróleo. Lâmpadas fluorescentes compactas usam europium e terbium, por exemplo, e catalisadores dependem de cério. Produzir terras raras economicamente é um problema de separação, não de disponibilidade. Apesar de seu nome, a maioria dos elementos são muito mais abundantes na crosta terrestre do que ouro, prata, platina e mercúrio. Infelizmente, terras raras são encontradas em quantidades vestigiais em minérios e são muitas vezes misturados entre si porque são quimicamente similares.a separação de terras raras de minérios requer abordagens mecânicas (como a separação magnética e eletrostática) e processamento químico (como a flutuação da espuma). São ineficientes: têm de lidar com as composições complexas de minérios, utilizam grandes volumes de produtos químicos e produzem muitos resíduos e subprodutos radioactivos. São extremamente necessárias melhorias.a reciclagem de terras raras de produtos descartados está a aumentar. Processos sob medida poderiam ser projetados porque as composições químicas e físicas dos produtos estão bem definidas. Uma variedade de métodos de extração metalúrgica e fase de gás foram explorados, mas as terras raras recicladas ainda não são parte da maioria das cadeias de abastecimento 9, 10. A investigação é necessária para reduzir o impacto ecológico de itens-chave que contêm terras raras ao longo de todo o seu ciclo de vida.derivados do benzeno uns dos outros. As cadeias de abastecimento de muitos polímeros, plásticos, fibras, solventes e aditivos de combustível dependem do benzeno, um hidrocarboneto Cíclico, bem como de seus derivados, tais como tolueno, etilbenzeno e os isômeros de xileno. Estas moléculas são separadas em colunas de destilação, com custos globais combinados de energia de cerca de 50 GW, o suficiente para abastecer cerca de 40 milhões de casas.os isómeros do xileno são moléculas com ligeiras diferenças estruturais entre si que conduzem a diferentes propriedades químicas. Um isómero, para-xileno (ou p-xileno), é mais desejável para a produção de polímeros tais como poli (tereftalato de etileno) (PET) e poliéster; mais de 8 kg de p-xileno são produzidos per capita todos os anos nos Estados Unidos. O tamanho e os pontos de ebulição similares dos vários isómeros do xileno dificultam a sua separação por métodos convencionais como a destilação.os avanços nas membranas ou sorventes podem reduzir a intensidade energética destes processos. Tal como para outros processos químicos de escala industrial, a implementação de tecnologias alternativas para a separação de derivados de benzeno exigirá que a sua viabilidade seja provada em escalas sucessivamente maiores antes da implementação comercial. A construção de uma fábrica de produtos químicos pode custar US$1 bilhão ou mais, então os investidores querem ter certeza de que uma tecnologia funcionará antes de construir uma nova infra-estrutura.
“a major hurdle is scaling up membranes.”
Trace contaminants from water. A dessalinização — seja por destilação ou filtração por membrana — é de energia e capital intensivo, tornando-a inviável em muitas áreas secas. A destilação não é a resposta: a termodinâmica define a quantidade mínima de energia necessária para gerar água potável a partir da água do mar, e a destilação utiliza 50 vezes mais energia do que este limite fundamental.a filtração de Osmose Inversa, um processo que aplica pressão através de uma membrana à água salgada para produzir água pura, requer apenas 25% mais energia do que o limite termodinâmico 5. Mas membranas de osmose reversa processam a água a taxas limitadas, exigindo plantas grandes e dispendiosas para produzir um fluxo suficiente. A osmose reversa da água do mar já é feita em escalas comerciais no Oriente Médio e na Austrália. Mas as dificuldades práticas de manuseamento de água mais poluída — incluindo corrosão, formação de biofilmes, escala e deposição de partículas — significam que também são necessários sistemas de pré-tratamento dispendiosos.membranas em desenvolvimento mais produtivas e resistentes à incrustação reduziriam os custos operacionais e de capital dos sistemas de dessalinização, ao ponto de a técnica ser comercialmente viável para Fontes de água mesmo altamente poluídas.
os próximos passos
os investigadores académicos e os decisores políticos devem concentrar-se nas seguintes questões.em primeiro lugar, investigadores e engenheiros devem considerar misturas químicas realistas. A maioria dos estudos académicos centram-se em produtos químicos individuais e inferem o comportamento das misturas que utilizam esta informação. Esta abordagem corre o risco de perder fenômenos que ocorrem apenas em misturas químicas, e ignora o papel dos contaminantes vestigiais. Acadêmicos e líderes em pesquisa e desenvolvimento industrial devem estabelecer misturas proxy para separações comuns que incluem os principais componentes químicos e contaminantes comuns.em segundo lugar, a economia e a sustentabilidade de qualquer tecnologia de separação precisam ser avaliadas no contexto de todo um processo químico. Devem ser utilizadas métricas de desempenho, tais como o custo por quilograma de produto e o consumo de energia por quilograma. Os custos de vida e de substituição de componentes, tais como módulos de membrana ou materiais de sorvete, têm de ser tidos em conta.em terceiro lugar, deve considerar-se seriamente, no início do desenvolvimento da tecnologia, a escala em que a implantação é necessária. Serão necessárias infra-estruturas físicas, tais como bancos de ensaios académicos e operados industrialmente, para levar as novas tecnologias do laboratório para escalas-piloto, de modo a que qualquer risco perceptível possa ser reduzido. Gerenciar isso exigirá acadêmicos, agências governamentais e parceiros da indústria para colaborar.em quarto lugar, a formação atual de engenheiros químicos e químicos em separações muitas vezes coloca grande ênfase na destilação. A exposição a outras operações — como adsorção, cristalização e membranas — é crucial para desenvolver uma força de trabalho capaz de implementar todo o espectro de tecnologias de separação que o futuro exigirá.
