UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - UFSC
CAMPUS ARARANGUÁ
João Pedro Remor
Luiz Felipe de Oliveira Barato
Paulo Cesar Galeano
William Francisconi Taufemback
Obtenção química e biotecnológica de hidrogênio
Araranguá
2014
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João Pedro Remor
Luiz Felipe de Oliveira Barato
Paulo Cesar Galeano
William Francisconi Taufemback
Obtenção química e biotecnológica de hidrogênio
Trabalho apresentado como forma de avaliação na disciplina de Energias Renováveis e Sustentabilidade, no curso de Engenharia de Energia, na Universidade Federal de Santa Catarina, campus de Araranguá.
Profª. Pós-drª. María Ángeles Lobo Recio
Araranguá
2014
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SUMÁRIO
1 Considerações iniciais..............................................................................................4
2 Processos biotecnológicos.......................................................................................5
2.1 O uso de enzimas..................................................................................................5
2.2 Síntese fotobiológica..............................................................................................6
2.3 Síntese fermentativa..............................................................................................7
3 Processos físico-químicos........................................................................................7
3.1 Reforma com vapor...............................................................................................7
3.2 Oxidação parcial....................................................................................................8
3.3 Reforma auto térmica............................................................................................9
3.4 Gaseificação do carvão.........................................................................................9
3.5 Eletrólise da água..................................................................................................9
3.6 Outros métodos...................................................................................................10
4 Conclusão...............................................................................................................10
REFERÊNCIAS.........................................................................................................12
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1 Considerações iniciais
A crescente demanda energética vem esbarrando em já perceptíveis
carências de combustíveis fósseis, bem como gargalos relacionados aos seus
impactos ambientais. Neste contexto, a busca de novas fontes energéticas que
possam substituir tais fontes se faz de vital importância. Dentre tais fontes, buscadas
como alternativas viáveis, está o gás hidrogênio, considerado por muitos analistas
como o combustível do futuro. Sua utilização como fonte de energia reduziria,
consideravelmente, a poluição do ar, desde que não seja advindo de compostos de
carbono (Miller, 2008).
O hidrogênio pode ser obtido a partir da água ou da reciclagem de certos
combustíveis, dejetos urbanos ou agrícolas. Sua utilização pode se dar por meio de
células a combustível, processo que gera eletricidade por meio de uma reação
química entre hidrogênio e oxigênio. O uso do hidrogênio enquanto combustível
alternativo apresenta alto potencial, pois dentre todos os outros combustíveis, é o
que apresenta maior densidade energética, cerca de 143kJ, além de apresentar
baixos impactos ambientais, considerando que, basicamente, sua combustão tem
como produtos somente água e energia, tal como explicita a famosa equação (Reis,
2011; Drapcho, Nhuan e Walker, 2008):
H2 + ½O2 ⇄ H2O ...[1]
O hidrogênio pode ser produzido a partir de uma grande variedade de
métodos físicos, químicos e/ou biológicos. Atualmente, 95% da produção mundial de
hidrogênio é a partir de combustíveis fósseis. Já a produção biológica e a partir de
recurso renováveis contribui com uma pequena parcela para o total geral, porém
estima-se que o uso de tais métodos deve se expandir, com o aperfeiçoamento das
tecnologias existentes e a criação de novas alternativas (Drapcho, Nhuan e Walker,
2008).
Uma das características desvantajosas do gás hidrogênio é a de
apresentar uma baixa de densidade, o que o leva a ocupar grande volume, tornando
dificultoso o armazenamento para fins automotivos, embora já existam alternativas
para tal problema, como o seu armazenamento sob a forma de hidretos, que são
compostos instáveis, que o liberam mais lentamente (Brasil, 2014).
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Outro entrave existente à expansão do uso de Hidrogênio é o fato dele
não ser um combustível encontrado na natureza no estado puro, em quantidades
suficientes, o que requer sua síntese, a qual pode ser impactante ao meio ambiente,
por consumir muita energia e, em determinados processos, liberar alta quantidade
de carbono, já que as tecnologias para eliminação completa do carbono no processo
produtivo ainda se encontram em desenvolvimento. Acredita-se que a obtenção de
energia a partir do hidrogênio ainda levará de 25 a 50 anos para se tornar viável
(Miller, 2008).
2 Processos biotecnológicos
A síntese biotecnológica do hidrogênio pode se dar a partir de dois
processos principais, os fotobiológicos e os fermentativos. A produção fotobiológica
tem a vantagem de utilizar a radiação solar no processo, que é uma fonte livre de
energia; porém, ainda necessita-se de tecnologia para aperfeiçoamento da eficiência
dos reatores no aproveitamento da radiação solar e na conversão da mesma em
hidrogênio. Já os processos fermentativos utilizam organismos microbianos,
recebendo resíduos e subprodutos agrícolas como fontes de carbono; o problema
reside em que nem todos os microrganismos são capazes de hidrolisar certos
materiais complexos presentes nos substratos, tais como os lignocelulósicos
(Drapcho, Nhuan e Walker, 2008; Natowitz e Ngô, 2009).
2.1 O uso de enzimas
Tanto o processo fotobiológico, como o fermentativo e aqueles que
utilizam digestão anaeróbia, necessitam das enzimas, hidrogenase ou nitrogenase,
para catálise da reação de redução:
2H+ + 2e- ⇄ H2 ...[2]
In vitro, as enzimas hidrogenases podem catalisar a reação em qualquer
direção. Já In vivo, eles atuam tanto na produção como na absorção de hidrogênio,
de acordo com as necessidades do organismo hospedeiro, embora a concentração
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de H2 possa interferir na direção. Em bactérias fermentativas, a hidrogenase catalisa
a redução de protóns do hidrogênio, em resposta ao excesso de elétrons decorrente
da oxidação dos substratos, enquanto que para os microrganismos fotossintéticos,
elas catalisam a utilização de hidrogênio como um doador de elétrons. Já a
utilização isolada de enzimas na produção de hidrogênio a partir de compostos
orgânicos, sem a presença de organismos vivos, ainda foi pouco estudada, não
havendo dados conclusivos (Drapcho, Nhuan e Walker, 2008).
No processo fotobiológico, uma desvantagem é que a produção de
hidrogênio vem acompanhada também de oxigênio, elemento bastante reativo que
pode ser tóxico para certas hidrogenases. Já no processo anaeróbio, as
hidrogenases exercem papel fundamental na produção de hidrogênio a partir da
digestão (Natowitz e Ngô, 2009).
2.2 Síntese fotobiológica
A síntese fotobiológica de hidrogênio tem um grande potencial, dado a
imensa disponibilidade de radiação solar. O principal gargalo é a baixa eficiência na
conversão de energia solar de alta intensidade, já que de 90% da radiação solar
captada não é utilizada em processos fotossintéticos, e sim liberado na forma de
calor. Para evitar tal problema, podem ser projetados reatores específicos. A
eficiência da conversão da energia solar em Hidrogênio, mesmo com as tecnologias
disponíveis atualmente, é de somente 3%, por isso ainda há necessidade de
maiores avanços científicos e tecnológicos. Os processos fotobiológicos são
divididos em direto [3], indireto [4] e foto fermentativo [5], os quais são representados
abaixo, respectivamente (Drapcho, Nhuan e Walker, 2008):
2H2O Luz→
O2 + 4H+ + 4e- ...[3]
1ª etapa: C6O2 + 12H2O Luz→
C6H12O6 + 6O2
2ª etapa: C6H12O6 + 6H2O Luz→ 12H2 + 6CO2 ...[4]
2H+ + 2e- + 4ATP Luz→
H2 + 4ADP + 4P1 ...[5]
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2.3 Síntese fermentativa
O hidrogênio pode ser produzido em condições anaeróbias por certos
microrganismos que utilizam substratos orgânicos como fonte de carbono e íons H+
como receptores de elétrons. Tal síntese é, geralmente, associada à presença de
uma proteína ferro-sulfurosa, denominada ferrodoxina, que serve como vetor de
elétrons de baixo potencial redox. Além de H2, tal processo pode proporcionar à
formação de vários ácidos orgânicos, como acetato, butirato, lactato, propionato,
além de álcoois, como o etanol. A formação de cada um destes produtos depende
do organismo e substrato utilizados, bem como as condições de cultura, tais como a
concentração de H2 dissolvido, pH e temperatura (Drapcho, Nhuan e Walker, 2008).
3 Processos físico-químicos
Dentre os vários métodos de síntese química de H2, destacam-se a
reforma com o vapor do gás natural, a oxidação parcial de resíduos de óleos e a
gaseificação do carvão.
3.1 Reforma com vapor
A reforma com vapor é um processo que utiliza a água para produzir
hidrogênio a partir de hidrocarbonetos. Tal processo é mais comum na indústria e,
geralmente, os hidrocarbonetos empregados são leves, tais como o metano,
naftaleno ou LPG. A reforma com o vapor do gás natural, que contém em maior
proporção o metano, pode ser representada como:
CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 ...[6]
Tal reação se mantém a uma pressão moderada, entre 20 a 30 bar, e a
uma temperatura de aproximadamente 900°C, em presença de um catalisador,
geralmente de níquel. O gás natural deve ser dessulfurizado previamente, já que o
enxofre atua como um inibidor na catálise da reação. O gás de síntese obtido é uma
mistura de outros gases, além do hidrogênio, tais como vapor da água, CO, CH4 e
CO2. O CO reage com o vapor da água em uma reação de conversão exotérmica:
8
H2O + CO ⇄ CO2 + H2 ...[7]
Esta reação produz uma molécula de hidrogênio a mais. Logo, todo o
mecanismo pode ser representado por:
CH4 + 2H2O ⇄ CO2 + 4H2O ...[8]
Durante o processo ocorrem reações secundárias, tais como a produção
de fuligem; Pelo ajuste da quantidade de vapor da água, pode ser eliminada a maior
parte delas, usando para isso uma reação que também produz um gás de síntese do
carvão:
C + H2O ⇄ CO + H2 ...[9]
A partir da reforma com vapor e da conversão pode ser obtido,
aproximadamente, 75% de hidrogênio e 25% de CO2. A reação inicial é endotérmica
e consome, aproximadamente, 206 kJ/mol. A segunda, porém, é “levemente”
exotérmica, já que libera 41 kJ/mol. No balanço das reações, o processo é
majoritariamente endotérmico, devendo ser fornecido 165 kJ/mol. O rendimento do
processo é de, aproximadamente, 65% e produz 11 toneladas de CO2 por tonelada
de hidrogênio produzido. Logo, é necessário separar o CO2 e outras certas
impurezas do hidrogênio, o que requer energia novamente. Existem duas formas de
purificação do hidrogênio, a metanação e adsorção seletiva, através de filtros
moleculares específicos (Natowitz e Ngô, 2009).
3.2 Oxidação parcial
Este processo pode ser aplicado tanto ao gás natural como em resíduos
de óleos. Os hidrocarbonetos residuais podem ser convertidos, com presença de
oxigênio, em hidrogênio e CO, num processo exotérmico. A reação inicial utiliza
oxigênio em quantidades insuficientes, pois a oxidação é só parcial e ele é utilizado
à alta temperatura, entre 1200 e 1500º C, e à alta pressão, entre 20 a 90 bar, em
presença de vapor de água para reduzir a velocidade da reação. Em presença de
um catalizador, tal reação pode ocorrer a uma temperatura menor, de
aproximadamente 600º C. A partir do gás obtido, deve ser retirado o enxofre e outras
impurezas contidas. Neste processo são obtidas 15 toneladas de CO2 por tonelada
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de hidrogênio. O custo do hidrogênio produzido através deste método é o dobro do
produzido a partir da reforma com vapor (Natowitz e Ngô, 2009).
3.3 Reforma auto térmica
Como a produção do gás de síntese é endotérmica, enquanto que a
oxidação parcial é exotérmica, este processo se baseia em combinar ambas as
reações, numa proporção que se possa aproveitar o calor liberado na oxidação
parcial na reação de produção do gás de síntese, para que o processo não precise
de transferência de calor. A reforma auto térmica está ainda em fase experimental,
mas tem alto potencial, já que poderia haver um acréscimo considerável na
eficiência de obtenção do hidrogênio através deste processo (Natowitz e Ngô, 2009).
3.4 Gaseificação do carvão
A gasificação do carvão em presença de vapor da água e oxigênio produz
gás de síntese, que logo é convertido em hidrogênio e CO2 através de outros
processos. Há varias tecnologias para realizar a gaseificação, todas se baseiam na
passagem do gás através das partículas de carvão, o que diferencia uma tecnologia
da outra é o tamanho das partículas de carvão, a temperatura e pressão
empregadas (Natowitz e Ngô, 2009).
3.5 Eletrólise da água
Este processo consiste na quebra de molécula da água em hidrogênio e
oxigênio, de acordo com a seguinte equação:
2H2O Eletricidade→
2H2 + O2
...[10]
Na eletrólise da água, uma corrente contínua passa através da mesma,
desde que esteja ionizada, pois à água pura não conduz eletricidade. A carga
elétrica quebra a ligação química entre os átomos de hidrogênio e oxigênio,
separando-os em componentes atômicos carregados eletricamente (íons), com a
10
formação dois polos: o ânodo, positivo, e o cátodo, negativo. Enquanto o hidrogênio
se concentra no cátodo, o ânodo atrai o oxigênio (Medeiros e Botton, 2014).
A eletrólise requer uma quantidade considerável de energia, em contraste
com a sua moderada produção de hidrogênio. A potência teórica requerida para
quebrar uma molécula da água é de 1,481V à 25º C, mas na prática necessita-se de
uma maior potencia para vencer a polarização dos eletrodos e as perdas por efeito
Joule. Logo, a potência aplicada na prática varia entre 1,7 e 2,1V, com uma
eficiência entre 70 e 85% (Natowitz e Ngô, 2009).
3.6 Outros métodos
Existem métodos que ainda se encontram em estado experimental, como
a utilização de ciclos termoquímicos, que consistiria em uma série de reações que
permitam que a dissociação da água possa ocorrer à uma temperatura muito menor
da usual, dependendo da fonte de calor e das espécies químicas utilizadas no
processo. Também há outro método denominado fotólise, que consiste na utilização
da luz solar como fonte de energia para a dissociação das moléculas da água em
oxigênio e hidrogênio, através de semicondutores foto catalisadores específicos
(Natowitz e Ngô, 2009).
4 Conclusão
Uma das principais inovações do uso do hidrogênio como combustível é que
tal uso pode vir a substituir a eletricidade como vetor de energia. Ao invés de cabos
de alta tensão, teríamos tubos de hidrogênio chegando às casas; isso porque a
reação que produz energia e água é simples e espontânea, já que precisa somente
do contato entre hidrogênio e oxigênio.
O principal problema, obviamente, não é a geração de energia, mas a
obtenção do hidrogênio, visto que ele não é encontrado naturalmente, logo, precisa
ser produzido. Para este fim, existem inúmeros métodos, como os que buscam
extraí-lo de compostos como água ou metano.
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Os processos físico químicos, que são os mais comuns, são eficientes na
extração de hidrogênio em si, mas costumam necessitar de grandes quantidades de
energia e em sua maioria liberam compostos poluentes. Os processos
biotecnológicos, por sua vez, dependem de microrganismos que, naturalmente,
auxiliam na liberação de hidrogênio sem prejudicar o meio ambiente, tanto no
quesito poluição quanto energia necessária.
Ainda existem barreiras para que a tecnologia se popularize, como a
estocagem do hidrogênio que, em seu estado gasoso, ocupa um grande volume,
além das barreiras relacionadas aos altos custos monetários, energéticos e, em
alguns casos, ambientais.
A tecnologia e o conhecimento para a obtenção de hidrogênio ainda estão em
seu estágio inicial. Observa-se um potencial enorme, porém, mesmo com vários
métodos diferentes, ainda existem muitos problemas e limitações. Mas também se
deve notar que todo o tipo de tecnologia inovadora passa por este estágio, com os
entraves sendo gradualmente superados.
REFERÊNCIAS
BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. Hidrogênio. Disponível em:
<http://www.mma.gov.br/clima/energia/energias-renovaveis/hidrogenio>. Acesso em:
14 jun. 2014.
CAHEN, David; GINLEY, David S. (org.). Fundamentals of Materials for Energy
and Enviromental Sustainability. Nova York, EUA: Cambridge University Press,
2012.
DRAPCHO, C. M., NHUAN, N. P., WALKER, T. H. Biofuels Engineering Process
Technology. EUA: McGraw-Hill, 2008.
MEDEIROS, William B.; BOTTON, Janine Padilha. Métodos e Eletrólitos
Utilizados na Produção de Hidrogênio. Disponível em:
12
<www.unila.edu.br/sites/default/files/files/William%20Bartolomeu%20de
%20Medeiros.pdf>. Acesso em: 15 jun. 2014.
MILLER, G. Tyler. Ciência ambiental. 11. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2008.
NATOWITZ, Joseph B.; NGÔ, Christian. Our Energy Future: resources, alternatives
and the enviroment. Nova Jersey, EUA: Wiley & Sons, 2009.
REIS, Lineu Belico dos. Matrizes energéticas: conceitos e usos em gestão e
planejamento. Barueri-SP: Manole, 2011.
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