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Produção química comum tornada mais segura e ecologicamente correta

A indústria química tem sido obscurecida há muito tempo por imagens indesejáveis ​​de chaminés e canos que descarregam efluentes tóxicos. As práticas modernas de produção contribuíram muito para mitigar o impacto ambiental da indústria, mas ainda há espaço para melhorias.

Tornar a química mais ecologicamente correta é uma paixão e um importante foco de pesquisa para Karthish Manthiram da Caltech, professor de engenharia química e química e bolsista William H. Hurt.

Em artigo publicado na revista CiênciaO laboratório de Manthiram descreve o desenvolvimento de um catalisador para a produção de uma matéria-prima química amplamente utilizada sem os produtos químicos tóxicos e perigosos normalmente necessários para sua produção.

Essa matéria-prima química, o óxido de propileno, é um composto orgânico usado em diversas aplicações, incluindo a fabricação de espumas, plásticos e anticongelantes, bem como para desinfecção e esterilização. Tradicionalmente, o óxido de propileno é produzido pela reação do propileno com ácido hipocloroso ou peróxido de hidrogênio. Cada um tem sua própria desvantagem.

“Com o ácido hipocloroso, você acaba com um produto secundário de cloreto que é descartado no meio ambiente. Por esse motivo, há cada vez menos licenças concedidas para permitir plantas que usam o processo de ácido hipocloroso”, diz Manthiram. “Isso forçou as pessoas a mudar para processos baseados em peróxido, mas você tem um enorme desafio de segurança. Sempre que você tem peróxido de hidrogênio em contato com compostos orgânicos, existe um risco iminente de explosões.”

O objetivo do grupo era desenvolver um método seguro para a produção de epóxido de propileno que não produzisse descarga ambiental nem tivesse uma grande pegada de carbono. Manthiram diz que a equipe começou procurando um catalisador capaz de produzir epóxido de propileno usando o átomo de oxigênio encontrado em uma molécula de água. O único produto secundário seria o gás hidrogênio, que pode ser usado como combustível ou na fabricação de outros produtos químicos.

“Toda a premissa era que a água é segura”, diz ele. “Não apresenta um risco intrínseco à segurança e não há nenhum produto secundário prejudicial ao meio ambiente no processo. Em vez disso, você está produzindo hidrogênio, que é algo que precisamos produzir mais no futuro. ”

O grupo se concentrou em dois catalisadores: óxido de platina e óxido de paládio. Ambos realizaram a reação que a equipe desejava, mas não o suficiente para serem úteis. O óxido de platina produziu epóxido de propileno em altas taxas, mas de forma confusa, criando muitos produtos secundários indesejados. Em contraste, o óxido de paládio produziu epóxido de propileno com menos produtos secundários, mas o fez de forma bastante lenta.

Manthiram diz que a solução foi combinar os dois catalisadores.

“Juntar os dois acabou resolvendo o problema”, diz Minju Chung, autor principal e ex-aluno de pós-graduação do MIT (MIT PhD '23) e agora pós-doutorado no Georgia Institute of Technology. “Depois passamos muito tempo entendendo por que essa mistura funciona melhor. Não é uma explicação direta.”

Utilizando espectroscopia de absorção de raios X (uma técnica que pode revelar a estrutura atómica e electrónica dos materiais bombardeando-os com raios X), os investigadores determinaram que numa mistura de óxido de platina e óxido de paládio, a platina existe num estado que faz com que é um catalisador mais eficiente.

“Acontece que um dos efeitos mais dramáticos de passar do óxido de platina para o óxido de paládio-platina é que você pode estabilizar a platina em um estado de oxidação mais elevado”, diz Manthiram. “Quando em um estado de oxidação mais elevado, o oxigênio ligado à platina é mais privado de elétrons, tornando-o mais reativo com o propileno rico em elétrons. Vemos através de toda uma série de experimentos que a estabilização da platina em um estado de oxidação mais elevado leva a significativamente melhores taxas e eficiências de epoxidação de propileno.”

Usando o novo catalisador, a taxa de produção de óxido de propileno é 10 vezes maior do que a alcançada anteriormente, e a eficiência aumenta em 13%, diz Manthiram.

Manthiram diz que pesquisas futuras se concentrarão em testar o catalisador para ver como ele pode ser transportado de um laboratório para ambientes industriais. Isso exigirá análises que examinem quanto tempo dura o catalisador antes de se degradar e quão bem ele funciona em escalas maiores, bem como o desenvolvimento de um processo para remover o epóxido de propileno do sistema à medida que é produzido.

“É hora de graduar este material neste contexto científico fundamental”, diz ele. “Isso será realmente esclarecedor para nós, porque nos mostrará quais são as próximas coisas em que devemos trabalhar.”

O artigo que descreve o trabalho, “Epoxidação direta de propileno via ativação de água sobre eletrocatalisadores Pd-Pt”, aparece na edição de 4 de janeiro da revista Ciência. Os co-autores da Caltech são Jason S. Adams, pesquisador associado de pós-doutorado em engenharia química; estudante de graduação em química Chenyu Jiang; e Minju Chung, Joseph H. Maalouf e Yuriy Román-Leshkov do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

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