Redução da escala pode aumentar eficiência de reações químicas

Juliana Passos

Mestranda Gisele Silva da Cruz realiza teste de fotodegradação de corantes orgânicos em microrreatores  (Foto: Divulgação)

Alto rendimento em pequenos espaços. A preocupação com o aumento da eficiência em processos químicos industriais tem resultado em inúmeras pesquisas de avaliação de desempenho em microrreatores. O italiano Omar Ginoble Pandoli, professor do Departamento de Química do Centro Técnico Científico da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (CTC/PUC-Rio) é um dos pesquisadores que se interessam pelo tema. Há uma década que ele se dedica ao estudo de reações químicas em pequena escala e na construção de dispositivos para que elas possam ser realizadas.

Contemplado no programa Jovem Cientista do Nosso Estado, da FAPERJ, Pandoli e uma equipe de pesquisadores da PUC-Rio, em parceria com a Universidade de Ferrara (Itália), publicaram recentemente um estudo comparativo do desempenho entre reatores químicos, na macro e micro escala, na revista Journal of Photochemistry & Photobiology A: Chemistry. O resultado foi a redução do tempo de 16 horas para 1 hora no processo de fotodegradação em microrreatores de compostos orgânicos utilizados no tingimento de papel, madeira, roupas, cosméticos e de compostos aromáticos – gerados em refinarias, gaseificadores de coque e plantas petroquímicas. Para tal, os pesquisadores usaram o semicondutor dióxido de titânio (TiO₂) como fotocatalisador incorporado no dispositivo microfluidico (microrreator), sensível à luz ultravioleta, e atualmente o produto comercial mais utilizado no tratamento de contaminantes tóxicos em águas residuais, de origem doméstica ou industrial.

A pesquisa realizada também apresenta uma proposta de padronização da determinação da eficiência fotocatalítica de novos catalisadores em equipamentos de pequena escala. Por meio de equações matemáticas conforme à União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), foi possível estabelecer um parâmetro comparativo, estabelecendo a quantidade de energia consumida para o processo de fotodegradação de um determinado volume de água residual por unidade de tempo.

Para Pandoli, o paradigma de que um equipamento maior é naturalmente mais eficiente, em termos de capacidade de produção por um determinado processo químico, precisa ser revisto. Em reatores tradicionais a ampliação de escala, definido escalonamento da reação, ocorre por meio do aumento do volume do vaso reacional (em inglês scaling-up). Na área de tecnologia de microrreatores, a ampliação de escala de um determinado processo químico se denomina “numbering-up”, onde um número elevado de microrreatores é colocado um ao lado do outro, aumentando a produção com a multiplicação dos equipamentos, e, ainda assim, obtendo economia e eficiência. A explicação encontrada pelos pesquisadores é a de que em ambientes micrométricos o contato entre a substância que precisa ser degrada e o agente catalisador aumenta. “Moléculas orgânicas têm de ter uma íntima relação com o agente catalisador”, diz o químico italiano. Outra vantagem é a quantidade de luz necessária para ativar a superfície do catalisador sensível à luz ultravioleta. Enquanto uma lâmpada serve para um conjunto de microrreatores, mais de uma e de maior potência são necessárias para o funcionamento de um reator de médio e grande porte.

Pandoli (à direita) com parte da equipe de seu laboratório: Gisele da Cruz, Christian de Oliveira e Druval Santos de Sá (Foto: Divulgação)

Outros destaques apontados pelo pesquisador são a maior eficiência de troca de calor e de massa, o que significa uma economia de energia e de materiais. Esta tecnologia tem atraído atenção das indústrias que olham com interesse para a possibilidade de redução de custos energéticos, de tempo e de recursos humanos para o desenvolvimento da fase de ampliação da produção. “Na microescala, as condições reacionais de temperatura, volume, concentração e velocidade de fluxo são controláveis com maior precisão, que induz uma maior seletividade e rendimento reacional”, prossegue Pandoli. Essa vantagem, explica o pesquisador, é particularmente útil quando o objetivo da reação é produzir um fármaco ainda na fase de desenvolvimento da nova molécula, por exemplo. "A indústria farmacêutica, inclusive, tem sido a principal interessada e está cada vez mais presente nas conferências da área. Por realizar testes com substâncias muito caras e em pequenas quantidades, as reações em escala reduzida se tornam imediatamente vantajosas."

A próxima etapa da pesquisa será trabalhar com elementos nanoestruturados da prata e do ouro a serem incluídos no semicondutor de dióxido de titânio. “O objetivo é explorar duas propriedades distintas destes materiais sensíveis em diferentes regiões espectrais da luz solar, ultravioleta e visível. Então esperamos obter resultados ainda melhores do que aqueles com dióxido de titânio puro”, conta.