Universidade Federal de Uberlândia. Universidade Federal de Uberlândia. Faculdade de Engenharia Química de Graduação em Engenharia Química

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1 Universidade Federal de Uberlândia Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Química Curso Curso de de Graduação em Engenharia Química Plástico Verde Aluna: Noelle Palloma Batista dos Santos Orientador : Adilson José de Assis Aluna: Noelle Palloma Batista dos Santos Orientador: Prof. Dr. Adilson José de Assis Uberlândia MG Brasil 2010

2 Sumário Introdução O que é o plástico verde Justificativa Revisão Bibliográfica Plásticos Produção de plástico por via petroquímica Petroquímicos do eteno História do plástico Química Verde Conclusão Bibliografia

3 Introdução Plástico Verde Definição: O plástico verde recebe essa denominação por ser produzido a partir de cana-deaçúcar, que é uma matéria prima renovável. O processo de obtenção de eteno a partir de etanol proveniente de fonte renovável ocorre através da desidratação do álcool na presença de catalisadores. O biopolietileno possui características equivalentes às do polietileno convencional, podendo ser empregado em diversas aplicações.

4 Justificativa Apesar do processo convencional (o que utiliza petróleo como matéria prima principal) ainda ser dominante na produção dos plásticos, faz-se cada vez mais necessária a substituição de fontes não renováveis, como o petróleo, por fontes alternativas, que utilizam fontes renováveis. Essa necessidade ocorre, principalmente, devido ao agravamento dos problemas ambientais, sobretudo, no que diz respeito ao problema da emissão de gases de efeito estufa (GEE). A cadeia na qual o polietileno verde é produzido permite uma maior redução dos níveis de dióxido de carbono na atmosfera em comparação a outros polímeros,

5 A reação do plástico verde, é um exemplo de reação em que o equilíbrio e a taxa influenciam na economia do processo, através das variações nas condições experimentais como temperatura, pressão e catalisador, o que pode favorecer a produção de diversos produtos e/ou subprodutos, sendo, portanto necessária uma análise de viabilidade termodinâmica e cinética das reações envolvidas. A termodinâmica indica as condições mais favoráveis para que determinada reação ocorra e qual será a composição do sistema no estado de equilíbrio, já a cinética química trata das mudanças químicas associadas com o tempo. As condições operacionais de um processo podem ser influenciadas pelas considerações sobre o equilíbrio, sendo de primordial importância a determinação dos efeitos destas condições na conversão da reação.

6 A conversão no equilíbrio pode servir como referência para melhoramentos em um processo, determinando se uma investigação experimental pode ser viável ou não. Esta figura nos mostra a conversão de equilíbrio do etileno em álcool na fase vapor em função da temperatura, pressão e da razão vapor d água/ etileno na alimentação. Percebemos que o aumento da temperatura diminui a conversão e que o aumento da pressão aumenta a conversão.

7 Revisão Bibliográfica Plásticos Plásticos Definição: Definição: Material que contém como ingrediente essencial uma substância orgânica polimerizada Material que de contém grande massa comomolecular, ingrediente queessencial é sólida no uma seusubstância estágio terminal orgânica e, numa polimerizada certa etapade da sua grande fabricação massa ou molecular, de seu processamento, que é sólida pode no ser moldada seu estágio ou conformada terminal e, no numa artigo acabado certa etapa mediante da sua um fabricação processo de ou fluxo. de seu (Shreve, processamento, 1984). pode ser moldada ou conformada no artigo acabado mediante um processo Classificação dos plásticos: de fluxo (Shreve, 1984). Os plásticos pertencem a uma classe de materiais de engenharia denominada polímeros. Os polímeros são macromoléculas com massas moleculares da ordem de A rota convencional na preparação do plástico utiliza matérias primas 10 3 a 10 6, cujas estruturas são formadas por muitas unidades simples e repetitivas, denominadas obtidas do monômeros. petróleo e são chamadas monômeros.

8 Os plásticos podem ser classificados em termoplásticos e termofixos. Termoplásticos: Apresentam estrutura linear; Amolecem com aquecimento, permitindo a moldagem; São formados por polimerização por adição. Exemplos: polietileno, polipropileno, PVC, PVA. Termofixos Têm estrutura tridimensional; Não amolecem com o aquecimento; Se decompõem caso o aquecimento seja contínuo; Devem ser moldados a forma desejada no momento da síntese, pois depois dela a moldagem torna-se impossível; São produzidos através de reações de polimerização por condensação ; Exemplos: borracha dura, baquelita

9 Produção do plástico A rota convencional na preparação do plástico utiliza matérias primas obtidas do petróleo e são chamadas monômeros. Os constituintes do petróleo cru podem ser separados através do processo de destilação. Neste processo, as frações do petróleo serão separadas em função da diferença das diversas faixas dos pontos de ebulição. Alguns desses produtos são gasolina, GLP, querosene, óleo diesel, NAFTA, etc.

10 Figura 1: Frações da Destilação do Petróleo

11 Através do nafta, obtém-se os monômeros, que posteriormente, são submetidos a um craqueamento térmico dando origem a diversas substâncias como etileno, propileno, butadieno, buteno, isobutileno, denominados petroquímicos básicos. Craqueamento - é um processo em que uma reação química quebra moléculas muito grandes em moléculas menores, na presença de catalisadores. Estes, por sua vez, são transformados nos chamados petroquímicos finos, tais como polietileno, polipropileno, policloreto de vinila etc. Na etapa subseqüente, os petroquímicos finos são modificados quimicamente ou transformados em produtos de consumo.

12 ESQUEMA DA PRODUÇÃO DE PLÁTICOS POR VIA PETROQUÍMICA Petróleo cru Coluna de destilação Gás combustível GLP NAFTAS Gasolina Querosenes ETC NAFTA CRAQUEAMENTO TÉRMICO Produtos de consumo: sacolas, garrafas PET, brinquedos, etc. Petroquímicos finos: POLIETILENO, polipropileno Petroquímicos básicos: ETENO, buteno, butadieno

13 Reações de polimerização Características Exemplos - Excepcional resistência a rupturas - Boa resistência a impactos - Boa resistência química - Boas propriedades elétricas, sendo muito utilizado na fabricação de recipientes - Recipientes, indústria de autopeças - Canetas, brinquedos, notebooks, etc - Pode-se formar o chamado PEAD, o polietileno de alta densidade - Pode-se formar o PEBD, polietileno de baixa densidade, formado por macromoléculas menores produzindo um material mais flexível. - Sacolas, etc

14 Aditivos Para adquirir características peculiares para o mercado, o plástico é tratado com alguns aditivos: Principais aditivos usados na fabricação de plásticos e sua função. Aditivo Função Plastificante Aumentar a flexibilidade Estabilizante térmico Evitar a decomposição por aquecimento Estabilizante UV Evitar a decomposição causada por raios UV solares Retardador de chamas Lubrificante Carga Antioxidante Pigmentos Antiestático Aromatizante Biocida Reduzir a inflamabilidade Reduzir a viscosidade Aumentar a resistência ao desgaste por abrasão e reduzir o custo do material Minimizar a oxidação provocada por oxigênio e ozônio atmosféricos Conferir a cor desejada Evitar eletrização por atrito Conferir odores desejados. Mascarar odores indesejados Inibir a degradação por microorganismos

15 Processos de fabricação de resinas Antes de chegar no consumidor final, o material plástico deve passar por diversas etapas de produção. Uma destas etapas é a moldagem, onde a resina polimérica, juntamente com os aditivos devem ser moldados no objeto desejado. Resina - termo atualmente empregado para designar qualquer matéria-prima polimérica no estado termoplástico, sendo fusível, insolúvel em água, mas solúvel em outros meios líquidos. Alguns destes processos são vazamento, fiação por fusão, compressão, calandragem, injeção, extrusão, sopro etc. Na grande maioria dos casos, a mistura passa por um estado fluido, pela ação do calor, com ou sem pressão, ou pela adição de um veículo líquido.

16 Descrição dos processos mais comuns Processo de vazamento: é um processo simples pelo qual a mistura é vertida ou vazada em um molde, sob a forma de uma solução viscosa. Processo de fiação por fusão: a mistura fundida passa através de orifícios de uma placa (fieira), formando filamentos viscosos que se solidificam e são enrolados em bobinas. É indicado para obtenção de fios. Processo de compressão: consiste em comprimir a mistura aquecida dentro da cavidade de um molde. Este processo é muito usado para termorrígidos. Processo de calandragem: consiste basicamente na passagem da mistura entre rolos sucessivos e interligados em rotação. É indicado na produção de lâminas, folhas e filmes de espessura regular. Processo de injeção: a mistura fundida é introduzida no molde por intermédio de pressão exercida por um êmbolo.

17 Continuação... Processo de extrusão: a mistura polimérica passa através de uma matriz com o perfil do objeto desejado e é resfriada tornando-se sólida. Processo bastante comum na fabricação de tubos de poli(cloreto de vinila) e polietileno, tão utilizados em encanamento de água, esgotos etc. Processo de sopro: ideal para obtenção de peças ocas pela insuflação de ar no interior do molde. É muito usado na fabricação de frascos a partir de resinas termoplásticas. (a) extrusora (b) calandra (c) injetora (d) sopradora

18 Produção de resinas polietilênicas a alta pressão: A fabricação do polietileno exige o eteno de alta pureza, e o primeiro passo, envolve o desmetanizador, onde de 99,8 a 99,9 % do eteno são retirados entre o volátil, e o resíduo (etano) é reciclado para a fábrica de eteno. Adiciona-se ao eteno de alta pureza um catalisador fornecendo radicais livres, como o oxigênio; a mistura é comprimida a pressão de operação (1500 atm) e introduzida no reator, que é mantido a 375 F (191 C). O efluente do reator passa para um vaso de separação, em que o eteno que não reagiu é removido e novamente recirculado. O liquido do separador é o polietileno incolor, que pode ser extrudado, resfriado e solidificado, cortado e armazenado.

19 Fluxograma de produção de resinas polietilênicas a alta pressão Shreve,1984

20 Fluxograma 2: Petroquímicos do eteno Shreve,1984

21 História do plástico Origem Foram desenvolvidos no inicio do século XX. O primeiro plástico de significado industrial foi o nitrato de celulose, descoberto em Só em 1909, a indústria do plástico se estabeleceu quando Beakeland desenvolveu o controle científico das resinas fenólicas, fabricando-as comercialmente. Essa resina, chamada de baquelita, feita a partir de uma mistura de fenol e formaldeído, representa o primeiro polímero realmente sintético.

22 A invenção da baquelita desencadeou uma classe completa de plásticos com propriedades semelhantes, conhecidos como resinas de fenol. Figura 2: Telefone de baquelite em "100 Anos do Plástico" no Museu de Ciência de Londres em A exposição foi uma comemoração dos plásticos feita para coincidir com o centésimo aniversário da invenção da baquelite por Leo Baekeland. Plexiglas oupolimetacrilato de metila- sintetizado em 1935, este plástico tem propriedades interessantes: transparência, resistência a choques, estabilidade e pode substituir o vidro em várias aplicações. Este material especial foi utilizado pelos oftalmologistas para substituição do cristalino opaco dos olhos por uma lente artificial em pessoas que sofrem de uma doença chamada de catarata. Foi o primeiro plástico implantado em seres humanos.

23 Aspectos históricos Linha do tempo 1835 Regnault apresenta o monômero de cloreto de vinil É descoberto o nitrato de celulose Charles Goodyear descobre o processo de vulcanização da borracha Regnault apresenta o monômero de cloreto de vinil É descoberto o nitrato de celulose Charles Goodyear descobre o processo de vulcanização da borracha É descoberto o acetato de celulose Irmãos Hyatt patenteiam a celulóide Hilaire Chardonnet inventa a primeira fibra sintética, a rayon de viscose Brandenburg inventa a celofane Leo Baekeland descobre a baquelita Hermann Staudinger sintetiza a borracha Ziegler começa a estudar a química orgânica princípio da descoberta do PE e PP A empresa Dunlop cria a primeira borracha de espuma J. A Hansbeke desenvolve o neoprene Primeiros produtos injetados com Poliestireno Começa produção comercial de Poliestireno 1938 Roy Plunkett descobre o PTFE ICI patenteia a cloração do Polietileno O PMMA começa a ser utilizado na aviação George demestral inventa o Velcro O Poliestireno de alto impacto começa a ser produzido comercialmente Começa aparecer os primeiros produzidos fabricados em PVC O Polietileno de alta densidade começa a ser produzido comercialmente O Polipropileno começa a ser desenvolvido com o uso de catalisadores de Ziegler- Natta O Policarbonato começa a ser produzido Ziegler e Natta ganham o Prêmio Nobel de Química É descoberto o acetato de celulose Irmãos Hyatt patenteiam a celulóide Hilaire Chardonnet inventa a primeira fibra sintética, a rayon de viscose Brandenburg inventa a celofane Leo Baekeland descobre a baquelita Hermann Staudinger sintetiza a borracha Ziegler começa a estudar a química orgânica princípio da descoberta do PE e PP A empresa Dunlop cria a primeira borracha de espuma J. A Hansbeke desenvolve o neoprene.

24 Continuação Primeiros produtos injetados com Poliestireno Começa produção comercial de Poliestireno 1938 Roy Plunkett descobre o PTFE ICI patenteia a cloração do Polietileno O PMMA começa a ser utilizado na aviação George demestral inventa o Velcro O Poliestireno de alto impacto começa a ser produzido comercialmente Começa aparecer os primeiros produzidos fabricados em PVC O Polietileno de alta densidade começa a ser produzido comercialmente O Polipropileno começa a ser desenvolvido com o uso de catalisadores de Ziegler-Natta O Policarbonato começa a ser produzido Ziegler e Natta ganham o Prêmio Nobel de Química.

25 1960 em diante - Surgem os plásticos de engenharia, materiais de alto desempenho com diversas aplicações. Também são desenvolvidos, a partir da engenharia de macromoléculas, os elastômeros termoplásticos, além de tanques de combustível e sacos de supermercado feitos em polietileno de alta densidade (PEAD), lentes de contato flexíveis e garrafas de polietileno tereftalato (PET). Figura 3: Este quadro publicado pela revista Veja (abril, 2005) mostra alguns produtos tradicionais que permaneceram os mesmos, apesar do longo tempo que estão no mercado. Podemos observar que as únicas mudanças ocorridas foram nas embalagens: em todos eles materiais como madeira, metal e vidro foram substituídos por plástico.

26 Química Verde A questão ambiental nunca teve uma importância tão grande como nos dias de hoje, devido aos inúmeros desastres que vem ocorrendo, principalmente devido à formação de resíduos. O tratamento adequado destes resíduos é um processo caro e muitas vezes desvantajoso no sentido de eficiência, neste sentido, os apelos ambientais levaram á necessidade de novas alternativas que pudessem evitar ou minimizar a produção dos mesmos. Esta corrente de pensamento é conhecida como química verde e pode ser definida como o desenho, desenvolvimento e implementação de produtos químicos e processos para reduzir ou eliminar o uso ou geração de substâncias nocivas à saúde humana a ao ambiente. A química verde possui 12 princípios que são a base para sua implementação.

27 12 princípios da química verde 1. Prevenção A química verde não é a química do meio ambiente. E sim a química para o meio ambiente. 2. Economia de átomos 3. Sínteses menos perigosas 4. Produtos químicos menos tóxicos 5. Alternativas aos solventes poluentes

28 Continuação Limitação dos gastos energéticos 7. Utilização de recursos renováveis 8. Redução do número de derivados 9. Utilização de processos catalíticos 10. Degradação final 11. Análise em tempo real para prevenir a poluição 12. Química fundamentalmente mais segura

29 Exemplos de rotas reacionais alternativas que atendam os princípios da química verde Biodiesel: combustível biodegradável derivado de fontes renováveis (princípio 7), que pode ser obtido por diferentes processos tais como o craqueamento, a esterificação ou pela trasesterificação. Isocianato de metila: fertilizante com alto poder de destruição e ao mesmo tempo um gás mortal passa a ter uma alternativa de processo de deshidrogenação oxidativa catalítica que produz isocianato de metila sem uso de fosgênio, implementado pela DuPont atendendo assim o principio 12, desenvolvendo um processo mais seguro, evitando-se assim os acidentes, como o que aconteceu em Bhopal.

30 O plástico verde no contexto da química verde A partir de fontes renováveis, como a biomassa da cana-de-açúcar, obtém-se o polietileno, matéria prima indispensável na produção de plásticos, rota que atende o principio 7, minimizando os impactos ambientais que seriam ocasionados no processo convencional. Como a desidratação do álcool ocorre na presença de catalisadores, e estes tem forte influencia na conversão, seletividade, temperatura e pressão de operação, a reação de formação do plástico verde também atende o princípio 9, em que a escolha do melhor catalisador permite um processo mais eficiente e com menos toxidez. Verde: a cor do respeito à natureza

31 Conclusão Devido as suas características tão especiais e a ampla aplicabilidade, o uso de plásticos tem sido cada vez maior, sendo, portanto, o mais importante dos materiais de engenharia. O processo convencional de produção do polietileno é feito, principalmente por via petroquímica, um processo caro, desvantajoso do ponto de vista ambiental, já que gera CO 2 no seu processo sem absorvê-lo, além de utilizar uma matéria prima não renovável, finita e oscilante no mercado. Diante deste panorama, surge a alternativa da produção de plástico verde, utilizando matéria prima renovável, permitindo a redução dos níveis de CO 2 na atmosfera.

32 Bibliografia SMITH,J.M.; VAN NESS,H.C.; ABOTT,M.M. Introdução a Termodinâmica da Engenharia Química. 5.ed. Rio de Janeiro:LTC,2000. SHREVE,R.N. ; BRINK Jr. J.A. Indústria de Processos Químicos, 5.ed. Rio de Janeiro, Consultado no dia 10/06/ Consultado no dia 10/06/ Consultado no dia 10/06/2010