“Nature” confirma um avanço histórico da China na produção de olefinas a partir do carvão: eficiente e com baixo consumo

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“Nature” confirma um avanço histórico da China na produção de olefinas a partir do carvão: eficiência e baixo consumo Autor/Fonte: Data: 07/03/2016 Número de visualizações: 16 Recentemente, a prestigiada revista internacional “Nature” confirmou mais um grande avanço da ciência e tecnologia chinesa. Em 4 de março, Bao Xinhe, deputado à APN, pesquisador do Instituto de Química Física de Dalian da Academia Chinesa de Ciências (doravante denominado “Instituto de Química Física de Dalian”) e acadêmico da Academia Chinesa de Ciências, revelou esse mais recente resultado de pesquisa. 　　Segundo consta, a equipe liderada pelo acadêmico Bao Xinhe (atual vice-reitor e professor da Universidade Fudan) e pela pesquisadora Pan Xiulian alcançou um avanço significativo na pesquisa sobre a produção direta de olefinas a partir da gaseificação do carvão. Eles superaram o método F-T, utilizado há mais de 90 anos na indústria química baseada no carvão. Em vez de utilizar o processo de conversão de água em gás hidrogênio, que exige alto consumo de água e energia, eles utilizaram diretamente o gás sintético produzido pela gaseificação do carvão – uma mistura purificada de CO e H2. Com a ajuda de um novo tipo de catalisador composto, foi possível obter olefinas de baixo teor de carbono em apenas uma etapa de reação. Isso resolveu o problema de equilíbrio entre atividade e seletividade nas reações catalíticas tradicionais, fornecendo assim orientações para o desenvolvimento de catalisadores eficientes e processos catalíticos mais eficazes. Esse feito foi considerado pela indústria como “um avanço histórico no campo da conversão do carvão”. A revista “Nature” reconhece uma conquista significativa da China no campo da produção de gás a partir de carvão: um método eficiente e com baixo consumo energético. Em 4 de março, em Pequim, o acadêmico Bao Xinhe apresentou esses resultados no Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências. 　　Os olefinos são um dos materiais primários mais importantes para a indústria moderna. Os olefinos do nosso país são obtidos principalmente no refino do petróleo; no entanto, isso gera altos custos e pressões ambientais. A substituição da indústria petroquímica pela indústria química a partir do carvão também é um novo caminho para o desenvolvimento energético que o nosso país vem explorando nos últimos anos. 　　Os resultados da pesquisa foram publicados em 4 de março na revista americana “Science”. O processo foi registrado como patente de invenção na China e como patente PCT internacional. Na mesma edição, a revista Science publicou um artigo de revisão de especialistas intitulado “Surpresos com a Seletividade” (Surprised by Selectivity), no qual se afirma que esse processo terá grande competitividade industrial no futuro. 　　Em 1923, os cientistas alemães Fischer e Tropsch inventaram o processo Fischer-Tropsch, pelo qual o carvão é convertido em produtos químicos ricos em carbono e combustíveis líquidos através de gás de síntese. Embora o processo não seja perfeito – além de gerar grandes quantidades de dióxido de carbono, consome muita água, apresenta baixa seletividade dos produtos e o tratamento posterior exige grande quantidade de energia –, o setor internacional de energia e química sempre considerou esse processo insubstituível. 　　Atualmente, esse processo foi revolucionado por pesquisadores do Instituto de Química de Dalian, pertencente à Academia Chinesa de Ciências. Eles abandonaram o processo de produção de hidrogênio por conversão de água em gás, que exige alto consumo de água e energia, optando, em vez disso, pelo uso do gás gerado pela gasificação – após sua purificação – para obter, de maneira seletiva, olefinas de baixo teor de carbono. Quando a taxa de conversão unidirecional do CO é de 17%, a seletividade dos produtos de hidrocarbonetos de baixo peso molecular atinge 94%, sendo que a seletividade dos olefinas de baixo peso molecular (etileno, propileno e butileno) é superior a 80%. Foi quebrado o limite (limite SF) em que a seletividade para olefinas de baixo peso molecular no processo tradicional de síntese Fischer-Tropsch é, no máximo, de 58%. 　　O processo tradicional F-T utiliza metais (no estado reduzido) como catalisadores. As moléculas de CO são ativadas e dissociadas na superfície do catalisador metálico em átomos de C e O. Os átomos de C e O reagem com o hidrogênio adsorvido na superfície do catalisador, formando um intermediário metileno (CH2), ao mesmo tempo em que moléculas de água são liberadas. Os intermediários de metileno sofrem polimerização livre na superfície do catalisador, por meio de reações de inserção migratória, gerando produtos hidrocarbonetos com diferentes números de átomos de carbono (de um a trinta, e às vezes até centenas de átomos de carbono). A distribuição do número de átomos de carbono nos produtos hidrocarbonetos da reação é ampla, e a seletividade para o produto alvo é baixa. Ao mesmo tempo, esse processo requer uma grande quantidade de hidrogênio para remover os átomos de oxigênio gerados pela dissociação do CO na superfície do catalisador metálico. Esse valioso hidrogênio é obtido por meio da reação de deslocamento do gás de água (CO + H2O → H2 + CO2). Contudo, essa reação é um processo de alto consumo energético e também libera grandes quantidades de CO2. 　　O processo desenvolvido pelos pesquisadores do Instituto de Química de Dalian utiliza um óxido composto parcialmente reduzido como catalisador. As moléculas de CO adsorvem-se e dissociam-se nos sítios de defeito de oxigênio do catalisador; as moléculas de hidrogênio do gás reagem seletivamente com os átomos de carbono resultantes da dissociação, formando radicais metileno. Por sua vez, os átomos de oxigênio gerados pela dissociação do CO na superfície do catalisador tendem a reagir com outra molécula de CO, formando CO2. Diferentemente do processo F-T tradicional, os radicais metílicos gerados nas posições com deficiência de oxigênio não permanecem na superfície do catalisador nem sofrem reações de polimerização na superfície. Em vez disso, eles entram rapidamente nos canais do zeólito, onde ocorrem reações de couplagem seletiva, resultando na formação direcionada de olefinas de baixo carbono. Isso aumenta a seletividade dos produtos. Por meio do ajuste dos poros da zeólita e de suas propriedades ácidas, é possível realizar a modulação controlada das moléculas do produto. A “Nature” confirma um avanço histórico e significativo da China na produção de gás a partir do carvão: eficiência e baixo consumo. Esse avanço elimina os átomos de oxigênio em excesso na formação de hidrocarbonetos, substituindo o H2 por CO; assim, sem alterar as emissões totais de CO2, dispensa-se a reação de mudança de gás de água, que exige alto consumo energético e hídrico. Em termos teóricos, abre-se um novo caminho para a conversão do carvão com baixo consumo de água (sem ciclo hídrico estrutural), respondendo com sucesso à pergunta que o **Primeiro-Ministro** sempre se fez: “É possível realizar a indústria química do carvão sem usar água ou usando pouca água?” 　　Ao mesmo tempo, a equipe do acadêmico Bao Xinhe, de forma criativa, combinou catalisadores de óxidos com zeólitas, conseguindo assim separar eficazmente dois centros de atividade catalítica: a ativação do CO e o acoplamento dos intermediários. Isso permitiu controlar os “radicais livres”, que crescem de maneira “desordenada e sem restrições” na tecnologia tradicional de Fischer-Tropsch, dentro de uma “gaiola” (a zeólita). Ao limitar seu comportamento, esses radicais foram transformados no produto final desejado: olefinas de baixo teor de carbono. Resolveu o problema do “balanço instável” entre atividade e seletividade nas reações catalíticas tradicionais, fornecendo diretrizes para o desenvolvimento de catalisadores eficientes e processos de reação catalítica. 　　Além da economia de água e da redução das emissões de CO2 no processo produtivo (por meio da simplificação dos procedimentos e da diminuição do consumo energético), a nova invenção da equipe do acadêmico Bao Xin também traz grandes benefícios econômicos. De acordo com a avaliação preliminar da China Petrochemical Engineering Corporation (SEI), nas condições atuais, a taxa de retorno interno (IRR) desse processo pode chegar a mais de 14%. 　　“A tecnologia deve dar suporte à ‘revolução energética’. ”Bao Xinhe afirmou que várias empresas químicas, tanto nacionais quanto estrangeiras, estão muito interessadas na posterior aplicação e promoção do processo. Após avaliações e consultas cuidadosas, o Instituto de Química de Dalian chegou atualmente a acordos preliminares com importantes empresas químicas nacionais e renomadas companhias químicas estrangeiras. Estão sendo iniciadas cooperações conjuntas nas áreas de preparação de catalisadores e desenvolvimento de processos, com o objetivo de realizar, o mais rápido possível, demonstrações industriais e a industrialização, esforçando-se para transformar esse resultado original em verdadeira produtividade. 　　Quando o Dr. Schwab, especialista da empresa alemã BASF, que trabalha há mais de vinte anos na pesquisa do processo FTTO para a produção de olefinas, entendeu os princípios básicos desse processo, ele disse, desapontado: “Por que não fomos nós a pensar nessa ideia primeiro?” ”O acadêmico Bao Xinhe respondeu, com certo orgulho: “Vocês já tiveram muitas ideias; agora é a nossa vez”. 　　A confiança para dizer isso provém da dedicação de décadas de uma excelente equipe de pesquisa e do crescente poder da China em pesquisa científica e tecnológica: só para este estudo, a equipe levou mais de nove anos, colaborando com diversas instituições de pesquisa nacionais, incluindo a Fonte de Radiação Síncrotron de Hefei, e utilizando vários equipamentos de pesquisa de alta tecnologia desenvolvidos independentemente. Durante esse período, além de solicitar várias patentes de invenção chinesas e patentes internacionais PCT, a equipe não publicou nenhum artigo relacionado à pesquisa. 　　A pesquisa relacionada ao projeto foi financiada pelo **Comitê Nacional de Fundos de Ciência Natural, pelo Ministério da Ciência e Tecnologia e pelo Projeto Estratégico Preliminar de Ciência e Tecnologia da Academia Chinesa de Ciências. O título original é: “Nature” confirma um avanço miliário e significativo da China na produção de gás a partir do carvão: eficiência e baixo consumo. Com certeza está errado; deveria ser olefinas produzidas a partir do carvão.