AlisaDOROSCHENKO
+33 (0)4 72 01 81 60Pirólise Assistida por Microondas
A pirólise assistida por micro-ondas é uma forma eficiente e controlável de converter biomassa em produtos químicos ou combustíveis.
Vantagens do aquecimento por MW
A pirólise assistida por microondas é uma forma eficiente e controlável de converter a matéria-prima em produtos químicos ou combustíveis. O aquecimento por microondas tem uma série de vantagens em relação aos tipos convencionais de aquecimento, incluindo a activação selectiva de vários produtos químicos.
Um exemplo de selectividade é a pirólise da biomassa. Os principais componentes da biomassa como a hemicelulose, celulose e lignina são activados a diferentes temperaturas. Isto torna possível aumentar a selectividade do bio-óleo, recolhendo diferentes fracções a diferentes temperaturas. Além disso, a degradação térmica dos polissacáridos prossegue a temperaturas mais baixas em comparação com os métodos convencionais.
História
A biorefinaria lignocelulósica e o seu mais recente desenvolvimento são de grande importância nos sectores económico, ambiental e político. Há duas abordagens principais para a activação e utilização da biomassa: bioquímica (fermentação) e termoquímica (pirólise da biomassa para bio-óleo e bio-carro). Actualmente, estão a ser feitos esforços consideráveis para aumentar a escala da transformação da biomassa.
Alternativamente, à bioquímica, a escalabilidade da abordagem termoquímica já foi provada por milhares de anos (desde o tempo da Roman Impair) de produção de bio-carro e bio-óleo. Em meados do século XIX, o conhecimento acumulado permitiu obter carvão vegetal a uma escala apropriada para satisfazer todos os tipos de metalurgia, enquanto o alcatrão cobre toda a procura da construção naval. Por exemplo, em 1863, a exportação de alcatrão da Finlândia atingiu 28 milhões de litros (170.000 barris) enquanto os EUA produziam quase 1 milhão de toneladas de biochar por ano.
Importância
Sob as condições de crescente concorrência mundial no início do século XX, o carvão de coque barato e o petróleo bruto substituíram o carvão vegetal e o alcatrão das suas aplicações tradicionais. Actualmente, as questões relacionadas com a disponibilidade de petróleo bruto, aquecimento global e problemas ecológicos estão a forçar os métodos termoquímicos a fazer uma revolução tecnológica e a encontrar um novo nicho numa economia global.
O sucesso desta estratégia poderia basear-se na produção de produtos químicos que contêm oxigénio. Devido a um elevado grau de funcionalidade, estes compostos não necessitam de transformação em várias etapas e são comercialmente atractivos para as grandes indústrias. É importante notar que as indústrias actuais produzem uma quantidade significativa do fluxo de resíduos lignocelulósicos. Apenas a indústria do papel e celulose produz 40-50 kg de lodo seco por 1 tonelada de papel e, subsequentemente, gera resíduos sólidos urbanos (RSU) contendo polímero de celulose como principal constituinte. Na UE, o problema dos RSU tem um perfil político muito elevado devido ao seu carácter complexo. Nos EUA, há mais de 21 milhões de toneladas de resíduos de papel e cartão que vão para aterro todos os anos.
Desafios
No entanto, a separação ex-situ dos componentes contendo oxigénio (uma vez produzido) é um desafio para a bio-refinaria. Mesmo para a pirólise da celulose, o constituinte mais simples da biomassa, o bio-óleo contém mais de 100 compostos, a maioria dos quais são químicos de alta ebulição e termicamente instáveis. Tais compostos não podem ser separados por destilação. Ao mesmo tempo, a separação eficiente dos valiosos produtos químicos resultantes da pirólise da celulose é uma tarefa essencial a nível mundial, ajudando a resolver tanto problemas económicos como ambientais.
Solução e mecanismo de micro-ondas
A solução possível é a separação in-situ e a pirólise inicialmente selectiva para os produtos químicos ou fracção visados (por exemplo, carvão vegetal/biochar).
Os principais componentes estruturais da biomassa são polímeros sólidos contendo oxigénio. A irradiação por microondas interage muito eficientemente com estes materiais, reduzindo a sua decomposição térmica em comparação com a pirólise convencional. Ao mesmo tempo, a maioria dos produtos de pirólise (excepto o biochar) são gases ou voláteis.
Devido à baixa densidade destes produtos, a irradiação por microondas interage fracamente com eles, deixando os compostos gasosos e voláteis a uma temperatura mais baixa do que durante o aquecimento convencional. Além disso, o biochar obtido é não condutor, de baixa polaridade, e não interage com a irradiação MW.
A temperatura mais baixa do produto no caso de aquecimento MW leva a uma melhor selectividade deste processo do que a convencional. A menor selectividade do processo principal (pirólise) é o resultado da decomposição do produto primário. A redução da temperatura do processo principal diminui a taxa de degradação dos produtos primários e, por conseguinte, diminui a selectividade.
Vamos estimar uma possível melhoria da selectividade no processo de microondas. De acordo com a regra de Van't Hoff, a taxa de reacção elementar aumenta duas vezes a cada 10 graus. A literatura mostra que a pirólise de MW ocorre normalmente a 80°C mais baixa do que a convencional. Portanto, a taxa de reacção secundária no caso da pirólise de MW será 28 = 256 vezes menor do que no processo convencional. Este valor é correcto apenas para a taxa inicial e este efeito está a diminuir mais próximo do fim do processo. No entanto, se o tempo residente do produto primário dentro da biomassa for curto, então a selectividade do processo poderia ser melhorada quase 100 vezes.
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