A maior fonte de consumo global de energia é a fabricação industrial de produtos como plásticos, ferro, e aço. A fabricação desses materiais não requer apenas grandes quantidades de energia, mas muitas das reações também emitem dióxido de carbono diretamente como subproduto.

Em um esforço para ajudar a reduzir o uso de energia e as emissões relacionadas, Os engenheiros químicos do MIT desenvolveram uma abordagem alternativa para sintetizar epóxidos, um tipo de produto químico usado para fabricar diversos produtos, incluindo plásticos, farmacêuticos, e têxteis. Sua nova abordagem, que usa eletricidade para executar a reação, pode ser feito em temperatura ambiente e pressão atmosférica, eliminando o dióxido de carbono como subproduto.

"O que nem sempre é percebido é que o uso de energia industrial é muito maior do que o uso de transporte ou residencial. Este é o elefante na sala, e houve muito pouco progresso técnico em termos de ser capaz de reduzir o consumo de energia industrial, "diz Karthish Manthiram, professor assistente de engenharia química e autor sênior do novo estudo.

Os pesquisadores pediram uma patente de sua técnica, e agora estão trabalhando para melhorar a eficiência da síntese para que possa ser adaptada para larga escala, uso industrial.

O pós-doutorado do MIT Kyoungsuk Jin é o autor principal do artigo, que aparece online em 9 de abril no Jornal da American Chemical Society . Outros autores incluem estudantes de graduação Joseph Maalouf, Nikifar Lazouski, e Nathan Corbin, e pós-doutorado Dengtao Yang.

Produtos químicos ubíquos

Epóxidos, cuja principal característica química é um anel de três membros que consiste em um átomo de oxigênio ligado a dois átomos de carbono, são usados ​​para fabricar produtos tão variados quanto anticongelantes, detergentes, e poliéster.

"É impossível passar, mesmo por um curto período da vida, sem tocar, sentir ou vestir algo que, em algum momento de sua história, envolveu um epóxido. Eles são onipresentes, "Manthiram diz." Eles estão em tantos lugares diferentes, mas tendemos a não pensar sobre a energia embutida e a pegada de dióxido de carbono. "

Vários epóxidos estão entre os produtos químicos com maior pegada de carbono. A produção de um epóxido comum, óxido de etileno, gera a quinta maior emissão de dióxido de carbono de qualquer produto químico.

A fabricação de epóxidos requer muitas etapas químicas, e a maioria deles consome muita energia. Por exemplo, a reação usada para anexar um átomo de oxigênio ao etileno, produzindo óxido de etileno, deve ser feito a quase 300 graus Celsius e sob pressões 20 vezes maiores do que a pressão atmosférica. Além disso, a maior parte da energia usada para alimentar esse tipo de manufatura vem de combustíveis fósseis.

Adicionando à pegada de carbono, a reação usada para produzir óxido de etileno também gera dióxido de carbono como um produto secundário, que é lançado na atmosfera. Outros epóxidos são feitos usando uma abordagem mais complicada envolvendo peróxidos perigosos, que pode ser explosivo, e hidróxido de cálcio, o que pode causar irritação na pele.

Para chegar a uma abordagem mais sustentável, a equipe do MIT se inspirou em uma reação conhecida como oxidação da água, que usa eletricidade para dividir a água em oxigênio, prótons, e elétrons. Eles decidiram tentar realizar a oxidação da água e, em seguida, anexar o átomo de oxigênio a um composto orgânico chamado olefina, que é um precursor de epóxidos.

Esta foi uma abordagem contra-intuitiva, Manthiram diz, porque as olefinas e a água normalmente não podem reagir entre si. Contudo, eles podem reagir entre si quando uma voltagem elétrica é aplicada.

Para tirar vantagem disso, a equipe do MIT projetou um reator com um ânodo onde a água é decomposta em oxigênio, íons de hidrogênio (prótons), e elétrons. Nanopartículas de óxido de manganês atuam como um catalisador para ajudar nessa reação, e incorporar o oxigênio em uma olefina para fazer um epóxido. Prótons e elétrons fluem para o cátodo, onde são convertidos em gás hidrogênio.

Termodinamicamente, esta reação requer apenas cerca de 1 volt de eletricidade, menos do que a voltagem de uma bateria AA padrão. A reação não gera dióxido de carbono, e os pesquisadores prevêem que podem reduzir ainda mais a pegada de carbono usando eletricidade de fontes renováveis, como solar ou eólica, para alimentar a conversão de epóxido.

Aumentando a escala

Até aqui, os pesquisadores mostraram que podem usar este processo para criar um epóxido chamado óxido de cicloocteno, e agora estão trabalhando para adaptá-lo a outros epóxidos. Eles também estão tentando tornar a conversão de olefinas em epóxidos mais eficiente - neste estudo, cerca de 30 por cento da corrente elétrica foi para a reação de conversão, mas eles esperam dobrar isso.

Eles estimam que seu processo, se ampliado, poderia produzir óxido de etileno a um custo de US $ 900 por tonelada, em comparação com $ 1, 500 por tonelada usando os métodos atuais. Esse custo pode ser reduzido ainda mais à medida que o processo se torna mais eficiente. Outro fator que pode contribuir para a viabilidade econômica dessa abordagem é que ela também gera hidrogênio como subproduto, que é valioso por si só para alimentar células de combustível.

Os pesquisadores planejam continuar desenvolvendo a tecnologia na esperança de eventualmente comercializá-la para uso industrial, e também estão trabalhando no uso de eletricidade para sintetizar outros tipos de produtos químicos.

“Existem muitos processos que têm pegadas enormes de dióxido de carbono, e a descarbonização pode ser conduzida por eletrificação, "Manthiram diz." Pode-se eliminar a temperatura, elimine a pressão, e use voltagem. "