Aspectos ambientais da energia aplicada em reações químicas

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1 Aspectos ambientais da energia aplicada em reações químicas Sumário As cargas ambientais resultantes da utilização de energias térmicas ou elétricas são particularmente importantes. Freqüentemente, o impacto ambiental total de produtos e processos é dominado por elas sendo que, para diminuir as cargas ambientais, a energia precisa ser usada de maneira muito eficiente. Em plantas industriais este requisito é considerável, ao passo que em experimentos em laboratório a redução de energia necessita de menor atenção. Todas as técnicas de aplicação da energia de reação requerida em sínteses consomem energia elétrica. A eficiência de diversas técnicas de aquecimento difere em uma faixa muito ampla. Um estudo indicou que, para uma conversão específica, a energia requerida claramente difere dependendo do método usado para aplicação de energia. Por exemplo, empregando uma manta de aquecimento, somente 70% da energia elétrica é requerida, em relação a um banho de óleo para a mesma reação. Somente 20% da energia consumida por um banho de óleo é usada por uma reação em um campo de micro-ondas. Estas diferenças podem ser explicadas pelas diferenças de perda de energia para o ambiente, ou seja, diferente transferência de energia do sistema de aquecimento para o meio reacional. A importância deste aspecto é enfatizada pela dimensão destas diferenças. A eficiência de aplicação de energia possui um grande efeito nas reações químicas e deveria, portanto, ser discutida com base na escolha dos reagentes químicos. Se for possível o uso de mantas de aquecimento, estas deveriam ser preferidas ao uso de banhos de óleo. Além disso, o uso de métodos não-convencionais de aplicação de energia, como as micro-ondas, pode levar a uma redução ainda maior do consumo de energia. Adicionalmente, é importante assegurar um bom isolamento do sistema de reação para minimizar a perda de energia e, assim, reduzir a energia que teria de ser re-aplicada. As recomendações dadas somente são efetivas se nenhum aspecto de segurança as proíbam, como superaquecimento localizado pelo uso de mantas de aquecimento ou ações práticas. O propósito das investigações e experimentos não é diminuir o consumo de energia no laboratório, que pode ser considerado insignificante. Em vez disso, os estudantes deveriam ser 1

2 conscientizados acerca do consumo de energia e perdas em reações químicas. Em maior escala, estes fatores determinam a eficiência da reação. Introdução Os impactos ambientais resultantes do gasto de energia, p. ex. as emissões decorrentes da produção de energia elétrica ou térmica pela queima de combustíveis fósseis, dominam, em muitos casos, o balanço ecológico (Beck et al., 2000), ou seja, a extensão da carga ambiental de um processo é, em grande escala, dominada por ele. Freqüentemente, a energia térmica de reações químicas precisa ser aplicada ou removida. Para reações em laboratório, a energia requerida é provida principalmente por dispositivos como mantas de aquecimento ou banhos (de óleo ou de água). Métodos adicionais de suprimento de energia como, por exemplo, as reações assistidas por micro-ondas, a aplicação de ultra-som ou energia mecânica são, em geral, menos freqüentemente empregados e são, normalmente, usados em casos muito especiais. Mesmo para diferentes métodos, estes usam princípios diferentes de aplicação de energia, porém essencialmente não há diferença: todos eles convertem energia da rede elétrica para a forma desejada de energia. Investigação Qual método de aplicação de energia requer menos energia? Qual dos possíveis métodos de suprimento de energia é o mais favorável de um ponto de vista ecológico? Em outras palavras, qual método requer a menor aplicação de energia elétrica para uma dada reação e tem, portanto, a maior eficiência? Para elucidar esta questão, uma reação foi conduzida empregando uma manta de aquecimento, com o uso de um banho de óleo e, finalmente, em um campo de micro-ondas. O consumo de energia foi determinado por um medidor de energia. Os resultados mostraram que a manta de aquecimento requereu somente 70% da energia usada na reação quando utilizando um banho de óleo. Até 80% da energia poderia ser economizada se a reação fosse conduzida em um campo de micro-ondas (Diehlmann, 2002)., Quais as razões para estas diferenças? 2

3 Houve diferenças significativas no consumo dos diferentes métodos de suprimento de energia. Quais as razões para estas diferenças? Em comparação com os procedimentos clássicos (manta de aquecimento, banho de óleo) a síntese assistida por micro-ondas tem um menor tempo de reação que pode ser de muita importância (duração da reação de aproximadamente 30 min). Não há diferença no tempo de reação quando o aquecimento é feito com um banho de óleo ou uma manta de aquecimento como fonte de energia (em ambos os casos, aproximadamente, 2 horas). Portanto, as diferenças devem possuir outras causas. O arranjo experimental sob uma câmera de infravermelho (IR) Com a ajuda de um termógrafo (Fig. 1, Fig. 2) as diferenças entre as variáveis comparadas podem ser mostradas. Fig. 1: Fotografia de IR aquecimento em banho de óleo A temperatura superficial do arranjo experimental é aumentada até 190 C quando o estágio de aquecimento é aplicado. Neste caso, a superfície do recipiente do banho de óleo foi, ainda, aproximadamente 130 C. Comparativamente, usando uma manta de aquecimento temperaturas significativamente menores são obtidas. Assim, uma temperatura superficial medida é elevada à apenas, aproximadamente, 50 C com o uso de uma manta de aquecimento e, portanto, bem abaixo da temperatura do estágio de aquecimento com um banho de óleo. 3

4 Fig. 2: Fotografia de IR manta de aquecimento A temperatura superficial possui influência na transferência de energia A perda de energia do corpo para sua vizinhança se deve, principalmente, aos processos de convecção. Na reação em questão o calor é menos importante. De acordo com a equação para transferência de calor, a energia de convecção emitida Q aumenta com o aumento das diferenças de temperatura entre o equipamento e sua vizinhança. Q K = α F (T corpo T ambiente ) t Q k = energia de convecção emitida pelo arranjo experimental α = coeficiente de transferência de calor F = superfície de arranjo experimental T corpo = temperatura superficial do arranjo experimental T ambiente = temperatura da vizinhança t = tempo para transferência de calor Isolamento térmico e tempo de reação colocados na balança Sob este aspecto, é obvio que a vantagem da "síntese assistida por micro-ondas" se deve ao menor tempo de reação quando comparado com as variáveis das reações clássicas. A perda de energia devido à convecção é um pouco menor com menores tempos de reação. Contudo, as diferenças de consumo de energia entre o aquecimento com mantas e banhos de óleo pode ser explicada com base na equação descrita acima. Devido às diferenças de temperatura das 4

5 superfícies dos aquecedores, diferentes quantidades de energia são transferidas para o ambiente de entorno. Para compensar esta perda de energia mais energia elétrica tem que ser suprida pela rede elétrica. A partir dos resultados de medida das fotografias de IR, a perda de energia dos dois arranjos experimentais foi estimada. Com o emprego de uma manta de aquecimento, aproximadamente 50% da energia proveniente da rede elétrica é transferida para o ambiente de entorno, enquanto que, usando um estágio de aquecimento com um banho de óleo, aproximadamente 85% é transferida. As diferenças de perdas de energia entre os dois arranjos experimentais clássicos podem ser explicados pelo melhor isolamento térmico da manta de aquecimento empregada. Recomendações em vista dos resultados Geral: Na discussão do impacto ambiental de uma reação, o efeito da aplicação de energia foi subdimensionado até agora. Nossas investigações mostram que grande parte do impacto ambiental de uma síntese se deve a processos preliminares. Por exemplo, grande parte dos efeitos ambientais totais vem da produção de eletricidade em usinas industriais. Sob este aspecto, isto será importante no futuro com respeito ao item energia sob bases equivalentes, com os diferentes aspectos da reação. Para uma dada reação, não é suficiente que a "química" seja correta, mas que o tempo de reação (cinética), a temperatura de reação ou o isolamento térmico possuam funções importantes. Específico: Em vista dos resultados de pesquisa, recomendações podem ser dadas referentes à seleção do equipamento para a elaboração de reações químicas no laboratório para um caso específico. Se possível, uma manta de aquecimento deve ser preferida para aquecimento ao invés de um banho de óleo. A maior eficiência da transferência de calor das mantas do meio de aquecimento para a mistura reacional se deve ao melhor isolamento térmico e menor superfície, de longe mais favorável que a de banhos de óleo. O uso de novos métodos (p. ex., reação em um campo de micro-ondas) também afeta o consumo de energia de reações químicas em escala de laboratório. Entretanto, a economia de tempo precisa ser significativa comparativamente a reação usando sistemas clássicos de aquecimento. A eficiência das micro-ondas é, somente, cerca de 50%, mas a energia aplicada é predominantemente transferida para o meio reacional. Além disso, o isolamento térmico do equipamento afeta o consumo de energia muito favoravelmente. 5

6 As recomendações dadas somente são efetivas se nenhum aspecto de segurança as proíbam, como superaquecimento localizado pelo uso de mantas de aquecimento ou ações práticas. Beck, A., Schering, M. und Hungerbühler, K. (2000). Fate modelling within LCA. The International Journal of Life Cycle Assessment, 5(2000), Diehlmann, A. (2002). Beitrag zur Implementierung des Leitbildes "Nachhaltige Entwicklung" in der Chemieausbildung. Dissertation. Friedrich-Schiller-Universität Jena, Institut für Technische Chemie und Umweltchemie. 6

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