As pessoas muitas vezes pensam em “colocar um raio em uma garrafa” como uma metáfora fantasiosa, mas raramente imaginam o que mais pode ser feito a seguir, se realmente for feito. Agora, pesquisadores da Northwestern University não apenas "aprisionaram raios" em laboratório, mas também os estão usando para criar um combustível mais limpo, o metanol. Eles usam plasma contido em tubos de vidro para converter diretamente metano em metanol, reduzindo significativamente a dependência de energia dos processos tradicionais e condições extremas de trabalho.
O metanol é um produto químico básico com uma ampla gama de utilizações. É uma matéria-prima importante para alguns plásticos e ácidos e pode ser usado como combustível limpo para automóveis, navios e fogões de cozinha. Também é amplamente utilizado em solventes industriais e tratamento de esgoto. No entanto, a atual rota principal para a produção de metanol na indústria é extremamente complexa e consome muita energia, e o ponto de partida também é o gás metano. No processo tradicional, o metano é primeiro quebrado em dióxido de carbono e hidrogénio em vapor de água a alta temperatura a cerca de 800 graus Celsius, e depois recombinado através de uma reacção catalítica para gerar moléculas de metanol noutro dispositivo a uma alta pressão de cerca de 200 a 300 atmosferas. Embora a tecnologia desta rota esteja madura, manter temperaturas e pressões tão elevadas consome muita energia e emite uma grande quantidade de dióxido de carbono, o que vai contra as exigências cada vez mais rigorosas de redução de emissões.
A comunidade científica tem procurado uma alternativa mais simples e menos intensiva em energia, mas a própria produção de metanol apresenta outra camada de dificuldade. Certamente não é fácil decompor o metano em condições adversas. Mesmo que o metanol seja produzido com sucesso, as próprias moléculas de metanol são extremamente reativas e podem facilmente continuar a reagir e ser ainda mais oxidadas em dióxido de carbono. Isso significa que o processo não deve apenas “quebrar” o metano, mas também “acionar os freios” no momento certo para encerrar o processo de reação a tempo, o que não é fácil de conseguir em engenharia.
Em resposta a estes dois desafios principais, a equipa da Northwestern University propôs um novo sistema que pode ser chamado de “relâmpago numa garrafa”. Em vez de depender de temperaturas e pressões extremas, os pesquisadores usam pulsos elétricos curtos e de alta energia em um reator cheio de água para criar plasma – um estado de alta energia da matéria semelhante ao relâmpago – em um tubo de vidro. Dentro do reator, o gás metano é passado para um tubo de vidro poroso e a superfície da parede do tubo é carregada com um catalisador de óxido de cobre; quando um pulso elétrico de alta tensão é aplicado, o gás no tubo é instantaneamente convertido em plasma, fazendo com que as moléculas de metano e água sejam quebradas ao mesmo tempo para formar fragmentos altamente reativos.
Esses fragmentos se recombinarão em um tempo muito curto para formar metanol, e a água no reator irá “dissolver” imediatamente o metanol gerado. A equipa de investigação destacou que esta rápida absorção é crucial, o que equivale a “congelar” a reacção num nó ideal para evitar que o metanol continue a ser oxidado em dióxido de carbono, contornando fundamentalmente o problema de reacção excessiva que é inevitável nos processos tradicionais.
Para melhorar ainda mais a eficiência, a equipe também introduziu gás argônio no sistema. O argônio é quimicamente extremamente inerte em condições normais, mas em um ambiente de plasma participa de reações que ajudam a estabilizar o processo de descarga e a suprimir reações colaterais indesejadas. Sob esta condição operacional, a seletividade do sistema ao metanol é significativamente melhorada, ao mesmo tempo que produz uma pequena quantidade de subprodutos valiosos, como hidrogênio e etileno.
Dayne Swearer, coautor do artigo, disse que além do metanol, o sistema também produzia etileno e hidrogênio, bem como uma pequena quantidade de propano, que são produtos químicos ou combustíveis de maior valor. O etileno é um importante monômero precursor para a produção de plásticos, e o hidrogênio é um produto químico de base essencial e um combustível com zero carbono. Ele enfatizou: "Usamos gás metano muito abundante em troca de metanol, etileno, hidrogênio e uma pequena quantidade de propano. Esses produtos em si são mais valiosos economicamente".
No geral, esta tecnologia é vista como um importante avanço no campo da produção de metanol. Primeiro, elimina fundamentalmente a necessidade de temperaturas e pressões extremas, reduzindo significativamente os custos de produção, o consumo de energia e a pegada ambiental. Em segundo lugar, o novo processo comprime o processo original de vários estágios e complicado em uma reação aproximada de uma etapa: o metano é convertido diretamente em metanol no mesmo sistema, ao mesmo tempo que minimiza subprodutos inúteis ou prejudiciais.
Atualmente, este dispositivo "relâmpago em uma garrafa" ainda está em escala de laboratório, mas se puder ser ampliado com sucesso no futuro, espera-se que ele realize um sistema distribuído para conversão de metano no local. Os investigadores prevêem que tais dispositivos poderiam ser implantados em locais remotos ou com fugas de metano para converter este gás de efeito estufa abundante, mas altamente eficiente, diretamente em produtos químicos industriais valiosos. Sweller destacou que o método convencional atual para lidar com o metano vazado é acendê-lo no local e converter o metano em dióxido de carbono. Embora o efeito estufa seja ligeiramente inferior ao do metano, ainda agravará o aquecimento climático. E se o pequeno reator for enviado diretamente para a fonte do vazamento, o metano que teria sido queimado diretamente pode ser transformado em combustível líquido transportável.
Em seguida, a equipe continuará a otimizar o desempenho do sistema e a explorar como recuperar e separar com eficiência produtos de metanol de alta pureza. Resultados de pesquisas relevantes foram publicados no Journal of the American Chemical Society.