Gaseificação do carvão para produção direta de olefinas (o fim da produção de metanol a partir do carvão e da produção de olefinas a partir do metanol)

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　Recentemente, a equipe liderada pelo acadêmico Bao Xinhe e pela pesquisadora Pan Xiulian, do Instituto de Química Física de Dalian, pertencente à Academia Chinesa de Ciências (doravante denominado “Instituto de Química Física de Dalian”), revolucionou o processo de conversão do carvão em produtos químicos, que tem sido utilizado há mais de 90 anos, através da rota F-T. Eles utilizaram, de maneira inovadora, o gás sintético produzido pela gasificação do carvão – um mistura de CO e H2 após sua purificação – e, com a ajuda de um novo tipo de catalisador composto, conseguiram obter olefinas de baixo carbono por meio de uma reação em apenas um passo, com alta seletividade. Os resultados dessa pesquisa foram publicados em 4 de março na revista americana Science. Esse processo de reação já foi registrado como patente na China, bem como como patente internacional PCT. Esse feito foi considerado pelos colegas como “um avanço histórico no campo da conversão do carvão”. A pesquisa relacionada a esse resultado foi financiada pelo **Fundo de Ciências Naturais (21321002, 21425312, 21222305, 91545204), entre outros. 　　Os cientistas alemães Fischer e Tropsch inventaram, em 1923, o processo F-T, que permite a produção de produtos químicos de alto teor de carbono e combustíveis líquidos a partir do carvão, por meio da geração de gás sintético. Embora esse processo não seja perfeito – por exemplo, além de gerar grandes quantidades de dióxido de carbono, ele também consome muita água; além disso, a seleção dos produtos resultantes é precária, e o tratamento posterior exige muita energia –, a indústria internacional de energia e químicos continua a considerá-lo insubstituível. Atualmente, esse processo foi revolucionado por pesquisadores do Dalian Institute of Chemical Physics – eles abandonaram o método 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 resultante da gasificação (após purificação), para obter olefinas de baixo carbono de maneira altamente seletiva. Quando a taxa de conversão de CO é de 17%, a seletividade dos produtos de hidrocarbonetos de baixo carbono atinge 94%. A seletividade dos olefinos de baixo carbono (etileno, propileno e butileno) é superior a 80%. Quebrou o limite do processo tradicional de síntese Fischer-Tropsch, no qual a seletividade para óleos alquênicos de baixo carbono era de no máximo 58% (limite de Schulz-Flory). 　　O processo tradicional F-T utiliza metais (no estado reduzido) como catalisadores. As moléculas de CO são dissociadas de forma ativa na superfície do catalisador metálico, formando átomos de C e O. Esses átomos reagem com o hidrogênio adsorvido na superfície do catalisador, formando intermediários de metileno (CH2), ao mesmo tempo em que são liberadas moléculas de água. Os intermediários metilênicos sofrem uma reação de inserção por migração, permitindo a polimerização livre na superfície do catalisador. Assim, são formados 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 resultantes da reação é ampla, e a seletividade para o produto desejado 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 conversão de água-gás (CO + H2O → H2 + CO2). O processo de conversão de água-gás é um processo que consome muita energia e também gera grandes quantidades de CO2. O processo desenvolvido pelos pesquisadores do Instituto de Química de Dalian utiliza óxidos compostos parcialmente reduzidos como catalisadores. As moléculas de CO se adsoram nos locais defeituosos de oxigênio do catalisador e se dissociam. As moléculas de hidrogênio em fase gasosa reagem seletivamente com os átomos de carbono resultantes da dissociação, formando radicais de metileno. Já os átomos de oxigênio gerados pela dissociação do CO na superfície do catalisador tendem a reagir com outro 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 acoplamento seletivo em um ambiente confinado, resultando na formação direcionada de olefinas de baixo carbono. Isso **aumenta a seletividade dos produtos**. Através do controle dos canais das zeólitas moleculares e de suas propriedades ácidas, é possível ajustar de maneira controlada as moléculas do produto. 　　Esse avanço consiste na substituição do H2 por CO, a fim de eliminar os átomos de oxigênio em excesso na formação dos hidrocarbonetos. Dessa forma, sem alterar as emissões totais de CO2, torna-se possível eliminar a reação de conversão de gás de água, que é energética e consome muita água. Em essência, isso abre um novo caminho para a conversão do carvão com baixo consumo de água (sem necessidade de ciclo de água na estrutura do processo). Ao mesmo tempo, por meio da combinação criativa de catalisadores óxidos com peneiras moleculares, foi possível separar efetivamente os dois centros de atividade catalítica: a ativação do CO e a couplação dos intermediários. Dessa forma, os “radicais livres” que, na tecnologia Fertro tradicional, crescem de maneira desordenada e sem controle, foram contidos dentro de uma “gaiola” (a peneira molecular). Ao restringir seu comportamento, tornou-se possível obter o produto desejado: olefinas de baixo carbono. Resolveu o problema do “balanço” entre atividade e seletividade nas reações catalíticas tradicionais, oferecendo diretrizes para o desenvolvimento de catalisadores eficientes e de processos catalíticos eficazes. 　　O processo de invenção nova, além de economizar água e reduzir as emissões de CO2 no processo industrial (encurtando os procedimentos e diminuindo o consumo de energia), também traz grandes benefícios econômicos. De acordo com a avaliação preliminar da China Petrochemical Engineering Corporation (SEI), nas condições atuais, a taxa interna de retorno (IRR) desse processo pode chegar a mais de 14%. Muitas empresas químicas, tanto nacionais quanto internacionais, estão muito interessadas em promover ainda mais a aplicação desse processo. Após uma avaliação e negociações cuidadosas, o Instituto de Química de Dalian chegou a acordos preliminares com importantes empresas químicas nacionais e renomadas empresas químicas estrangeiras. Eles vão trabalhar juntos no desenvolvimento de catalisadores e em outros processos relacionados, com o objetivo de realizar demonstrações industriais e a industrialização dessas tecnologias o mais rápido possível. O objetivo é transformar esses resultados inovadores em verdadeiras fontes de produtividade. 　　Só para realizar este único estudo, a equipe dedicou mais de nove anos, colaborando com várias instituições de pesquisa no país, incluindo a Fonte de Radiação Sincrotrônica de Hefei. Foram utilizados vários equipamentos de pesquisa de alta tecnologia, desenvolvidos pela própria equipe.