Microrreator para o estudo da formação do gelo que pega fogo

Olá querido leitor. Na publicação de hoje iremos conhecer o trabalho de pesquisadores do Instituto Politécnico da Universidade de Nova Iorque (EUA) que pode ter importantes implicações para engenharia e ciência climática. Isso porque esses pesquisadores liderados por Ryan Hartman, professor assistente de Engenharia biomolecular e Engenharia Química estão usando um novo meio de estudar como o metano e a água formam hidrato de metano que lhes permite examinar passos discretos no processo de forma mais rápida e eficiente.

O composto Hidrato de Metano, também conhecido como gelo que pega fogo, é apontado por alguns como a energia do futuro. Utilizando um microrreator e pequenas mudanças de temperatura, eles conseguiram explorar o processo indeterminado pelo qual o gás metano se torna um hidrato sólido quando exposto à água. A pesquisa foi publicada no jornal Lab on a Chip (DOI: 10.1039/C7LC00645D).

Uma quantidade enorme de metano está presa no pergelissolo (camada de solo congelada dos polos)  e sob o leito do oceano ártico, em grande parte em um estado de hidrato de metano com gelo, em que o metano é encarcerado em “gaiolas” de moléculas de água. Compreender como o metano interage com a água para tornar-se um hidrato de gás cristalino e, inversamente, como ele se dissocia de volta ao seu estado gasoso, é fundamental para entender como poderia catalisar, ou talvez reduzir, mudanças climáticas. Também poderia levar a novas tecnologias para separações de gases e armazenamento eficiente e seguro. Mas, porque se preocupar com isso?

Um pouco sobre o Hidrato de Metano

O Hidrato de Metano são moléculas do gás metano (CH4) contidas numa espécie de “gaiola” de água congelada. Ele é formado principalmente no fundo de oceanos, onde materiais orgânicos entram em decomposição e, dessa forma, os microrganismos sintetizam, entre outros compostos, o metano. Esse gás é então liberado, sendo que parte dele é encapsulada pelos cristais de gelo, produzindo o Hidrato de Metano em camadas de água de aproximadamente 500 metros.

É um composto altamente energético, sendo que um litro desta composição corresponde, em condições normais de temperatura (0 °C) e pressão (1 atm), a 168 litros de gás metano. Em temperatura ambiente, o metano volatiliza, formando uma espécie de gelo inflamável devido ao seu alto potencial energético, daí o seu apelido.

Fazendo uma pesquisa para escrever esse post encontrei que pode haver no mundo aproximadamente 12 trilhões de toneladas deste gás e que haja mais energia armazenada nele do que na soma de todo petróleo, gás e carvão do mundo. É muita energia querido leitor!

Entretanto, como dizia Stan Lee: ” Com grandes poderes vêm grandes responsabilidades”.

A extração dessa energia toda, por si só, consome muita energia, pois extraí-lo do fundo do mar onde há altíssima pressão e baixa temperatura sem que o gás escape é uma tarefa altamente complexa, sendo que países como EUA e Japão já fizeram tentativas sem muito sucesso de extrair quantidades consideráveis de hidrato de metano, sendo a China o primeiro país a extrair com sucesso esse composto do mar da China, como mostra uma reportagem do G1 de maio de 2017.

Outro problema é que o gás metano possuí um potencial de aquecimento 25 a 30 vezes maior que o dióxido de carbono, o CO2. A preocupação é que, como há altas concentrações deste gás em grandes áreas de gelo e devido ao aquecimento global, a tendência é que essas áreas sofram derretimento e, com isso, liberem o hidrato de metano, aumentando ainda mais a temperatura do planeta e assim, potencializando o efeito estufa. Outra grande preocupação é que a exposição incontrolada do hidrato de metano possa acarretar em deslizamentos e até tsunamis.

Microrreator vs Reator convencional 

A pesquisa explorou principalmente como a transferência de calor e massa afeta a formação de hidratos. Para isso a equipe desenvolveu um reator de microcanais com resfriamento termoelétrico. Esse microdispositivo permite mudanças de temperatura “passo a passo”, reduzindo o tempo experimental de horas ou dias, a minutos ou mesmo segundos, permitindo um exame muito mais preciso do processo através de técnicas espectroscópicas in situ (técnicas de identificação dos compostos). Graças a esta tecnologia, a equipe do Prof. Hartman também pode medir o grau em que a transferência de massa, que inclui fenômenos como a difusão, afeta as taxas de propagação de cristal.

Os pesquisadores geralmente concordam que a formação de hidrato de gás começa com a nucleação, em que as moléculas de água começam a formar uma rede que aprisiona moléculas de um gás como o metano. A cinética da nucleação e outras etapas discretas no caminho da formação de hidratação são mal compreendidas em parte devido às limitações dos reatores convencionais (essencialmente tanques de alta pressão com agitadores e equipamentos de aquecimento ou refrigeração), nos quais a água é “coberta” com gás metano super-resfriado.

Tais sistemas exigem que a temperatura limite da fase para a formação do hidrato seja reduzida em até 10 K (-263,15 °C). Mesmo assim, a nucleação pode levar horas ou dias nos reatores convencionais. Usando a nova tecnologia, os pesquisadores conseguiram resfriar as moléculas de água à uma ordem de magnitude menor do que o exigido em sistemas convencionais, atingindo nucleação em incrementos de 1 K (-272,15 °C), em um tempo muito menor.

O microdispositivo desenvolvido pelos pesquisadores tem um resfriamento da ordem de segundos, o que permite que eles formassem e usassem os núcleos rápido o suficiente para realizar um grande número de testes em um tempo muito menor do que os métodos tradicionais. “A nucleação é difícil de prever”, disse o Prof. Hartman. “Pode levar minutos ou às vezes dias na formação de hidratos de gás. Mas, como podemos calcular a temperatura em segundos, podemos formar cristais de semente e usar os núcleos que formamos para formar de forma reprodutiva cristais maiores”.

Os pesquisadores concluem que compreender o crescimento de cristais de hidrato de metano é importante para as ciências atmosféricas, oceânicas e planetárias e à produção, armazenamento e transporte de energia. “Nossas descobertas poderiam algum dia avançar a ciência de outras cristalizações multifásicas, de alta pressão e sub-refrigeradas”.

Até semana que vem querido leitor!

Fonte: EurekAlert, ScienceDaily, Sinergia Engenharia de Meio Ambiente, Mundo Educação.


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Sobre Harrson S. Santana

Harrson S. Santana obteve seu doutorado em Engenharia Química pela Universidade de Campinas em 2016. Sua tese de doutorado foi a investigação da síntese de biodiesel em microcanais, utilizando simulações numéricas e ensaios experimentais. Em 2015, ele passou vários meses na Universidade de Glasgow (Reino Unido) desenvolvendo pesquisas na área de impressão 3D. Atualmente, ele é pesquisador associado e professor colaborador da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp, trabalhando no desenvolvimento de microplantas químicas e uso de impressoras 3D em processos químicos. Ele publicou vários artigos explorando desde simulações numéricas no desenvolvimento de microdispositivos até o uso de microfluídica em reações químicas e operações unitárias. Seu interesse científico se concentra em fenômenos de transporte em sistemas microfluídicos, impressoras 3D e sistemas robóticos aplicados a processos químicos em microescala.

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