Propano em propileno >99% puro à temperatura ambiente numa nova célula

Investigadores demonstraram que é possível transformar propano em propileno com pureza superior a 99% à temperatura ambiente, afastando-se da química de alta temperatura que, durante décadas, caracterizou esta reacção industrial.

O resultado sugere um caminho mais limpo para produzir um dos blocos de construção mais usados no fabrico de plásticos, com menor consumo de energia e menos operações de limpeza após a produção.

Um primeiro passo mais limpo

Na célula com membrana, o propano atravessou esferas ocas e saiu como propileno num fluxo suficientemente limpo para dispensar a purificação adicional que, normalmente, é indispensável.

Ao monitorizar o gás à saída, Jiarui Yang, PhD, da Universidade da Cidade de Hong Kong (CityUHK), mostrou que o sistema gerava o produto directamente, em vez de o obter misturado num conjunto químico mais confuso.

De forma igualmente marcante, o mesmo arranjo continuou a empurrar o propano para esse produto único durante meses, em vez de perder desempenho rapidamente com o uso.

É precisamente a junção entre elevada pureza e robustez operacional que faz esta descoberta passar de uma reacção elegante para um candidato com potencial industrial.

Porque o propileno do propano importa

O propileno está por detrás de embalagens alimentares, fibras, componentes automóveis e de químicos usados em espumas, revestimentos e muitos outros materiais.

A indústria valoriza-o porque a presença de uma ligação química exposta reage com facilidade, permitindo ligar moléculas pequenas para formar plásticos mais resistentes e também solventes.

O polipropileno - plástico comum em embalagens e em cuidados de saúde - representa a maior fatia do mercado.

Por isso, a procura pressiona os produtores a encontrarem vias para propileno que desperdicem menos calor, sem reduzir a oferta.

O calor tem custos

Nas unidades convencionais, o propano é processado com calor intenso, frequentemente acima de 538°C (1,000°F), para retirar hidrogénio do propano.

Essa exigência existe porque é necessário quebrar ligações carbono–hidrogénio: ligações fortes que prendem átomos de carbono e de hidrogénio e tornam o propano difícil de transformar.

Temperaturas elevadas também favorecem a formação de coque, isto é, acumulação de carbono que recobre os catalisadores; além disso, as partículas catalíticas podem aglomerar-se e perder área de superfície activa.

Cada um destes problemas acrescenta custos antes mesmo de começar a purificação; por isso, uma química a baixa temperatura ataca vários pontos críticos ao mesmo tempo.

A electricidade muda o percurso

Em vez de aquecer todo o sistema, a nova célula recorre a electricidade para deslocar cargas através de um líquido salino.

No ânodo - o eléctrodo positivo que cede electrões - um sal de bromo transforma-se numa espécie de vida curta.

Essa espécie, conhecida como radical de bromo, uma forma transitória de bromo com um electrão desemparelhado, consegue arrancar hidrogénio ao propano.

Como a célula gera essa forma reactiva apenas onde é necessária, reduz-se a probabilidade de reacções paralelas que produziriam compostos indesejados.

Esferas ocas aceleram a reacção

Esferas ocas microscópicas aproximaram o propano, o sal de bromo e a superfície do eléctrodo o suficiente para acelerar a reacção dentro de cada poro.

As paredes porosas mantiveram os reagentes junto de dióxido de estanho, um óxido metálico estável que suportava o revestimento carregado.

Em torno desse óxido existia um líquido iónico - um fluido do tipo sal, feito de moléculas carregadas - disposto numa camada fina.

Com essa camada, o propano aderiu melhor, reagiu mais cedo e saiu antes de o catalisador lhe retirar hidrogénio em excesso.

Um caminho para o hidrogénio

O revestimento não serviu apenas para concentrar espécies químicas perto da superfície: também facilitou o transporte de hidrogénio.

No interior da camada, uma rede de ligações de hidrogénio - atracções fracas entre moléculas que contêm hidrogénio - transferiu partículas de hidrogénio de um local para o seguinte.

Esse trajecto reduziu o esforço necessário para afrouxar a primeira ligação carbono–hidrogénio em cada molécula de propano.

Depois de essa ligação ceder, a reacção formou bromopropano - uma molécula temporária de propano com bromo - e, em seguida, propileno juntamente com água.

A pureza altera a economia

A pureza e a selectividade (isto é, o grau em que a reacção favorece um único produto) podem decidir se esta química se torna prática, porque as unidades de polímeros necessitam de correntes limpas.

O anólito, o líquido de reacção junto ao eléctrodo positivo, transportou o propileno para fora antes de este se misturar com muitos subprodutos.

Em artigos científicos, o mesmo composto é frequentemente chamado propeno, pelo que a designação muda, mas a molécula é a mesma.

“"A selectividade para propeno excede 98%, e a produção contínua de gás propeno de elevada pureza (>99%) a partir do anólito elimina a necessidade de separação a jusante", escreveu Yang.”

Longa duração, pouca deriva

A durabilidade deu a este resultado um peso que uma demonstração curta em laboratório, por si só, não teria.

Durante mais de 6,000 horas, a célula manteve actividade e selectividade, enquanto a voltagem aumentou apenas 3.16 microvolts por hora.

As verificações após o ensaio indicaram que as esferas conservaram a forma após meses de funcionamento e que a perda de estanho ficou abaixo de 1%.

Uma deriva tão lenta é relevante porque, numa fábrica, não é rentável reconstruir um leito catalítico a cada poucos dias.

Escalar levanta questões difíceis

A passagem à escala industrial vai testar se a célula, apesar de elegante, resiste à realidade mais desordenada de unidades químicas fora de equipamento cuidadosamente controlado.

Eléctrodos piloto terão de distribuir o gás de forma uniforme, conduzir corrente em segurança e evitar zonas onde os subprodutos se acumulam.

A recuperação de brometo em circuito fechado - reutilizando brometo em vez de o descartar - ajudaria a preservar a eficiência e a limitar resíduos durante a produção contínua.

Esses passos de engenharia vão determinar se o propileno à temperatura ambiente sai do laboratório como algo mais do que uma reacção engenhosa.

O que significa “mais verde”

Um propileno mais limpo não torna o plástico inofensivo, mas reduziria as exigências de aquecimento, de separação e de regeneração de catalisadores a montante.

A próxima confirmação terá de vir de eléctrodos maiores, de circuitos de recuperação de brometo e de uma contabilização rigorosa das fontes de electricidade.