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

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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.