Como se pode produzir hidrogénio a partir de ácido fórmico de origem biológica num processo contínuo
Um catalisador de ruténio com um aditivo de amina permite um funcionamento contínuo durante mais de 820 horas a partir diretamente de matéria-prima biogénica
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Com uma produção anual de cerca de um milhão de toneladas métricas, o ácido fórmico é um dos produtos químicos básicos mais importantes e é utilizado, entre outras coisas, como aditivo na indústria de rações para animais. Está também a suscitar cada vez mais interesse como vetor de H₂. Até à data, a sua produção tem dependido de matérias-primas fósseis, que deverão ser substituídas a longo prazo por matérias-primas sustentáveis. A PME bávara OxFA, atualmente a única empresa a produzir ácido fórmico a partir de biomassa, deu um importante passo em frente. Em seu nome, a LIKAT desenvolveu um catalisador que permite a extração de hidrogénio — um vetor energético fundamental — a partir de ácido fórmico de origem biológica a temperaturas relativamente baixas.
Foi apresentado um pedido de patente para o processo desenvolvido em conjunto. Na sequência da produção de ácido fórmico, este representa o segundo passo num processo de produção de hidrogénio sustentável e amigo do clima a partir de biomassa — o chamado processo BFH (Biomassa–Ácido Fórmico–Hidrogénio). Uma grande variedade de resíduos e matérias-primas biogénicas pode servir como matéria-prima, incluindo materiais lignificados ou húmidos, biomassa fermentada e resíduos. De acordo com um estudo do Centro Alemão de Investigação em Biomassa (DBFZ), existe um potencial técnico de biomassa de aproximadamente 31 milhões de toneladas métricas de matéria seca por ano que continua por explorar só na Alemanha.
Desafios: Diluição e subprodutos
A literatura descreve várias abordagens ao processo BFH em duas etapas, tanto em dois recipientes de reação separados como num único recipiente. «A maioria delas requer uma purificação intermédia das soluções de reação», explica o Dr. Henrik Junge, sob cuja liderança o catalisador foi desenvolvido no LIKAT, em Rostock. A produção de hidrogénio a partir de ácido fórmico altamente concentrado já foi investigada no LIKAT. No entanto, o processo atual utiliza matérias-primas biogénicas húmidas e resíduos como matéria-prima, o que — devido à natureza do sistema — resulta em ácido fórmico que contém água e representa um obstáculo para os processos de libertação estabelecidos. Dr. Junge: «Uma baixa concentração de substrato é desfavorável para quase todas as reações químicas.» No entanto, especialmente no que diz respeito à recuperação de energia, o objetivo é evitar etapas de purificação demoradas. Para superar estes obstáculos, os investigadores do LIKAT modificaram complexos de ruténio — já conhecidos a partir de publicações, algumas das quais do seu próprio instituto — para utilização como catalisadores. O Dr. Hendrik Kempf, na altura estudante de doutoramento no grupo de Henrik Junge, foi responsável por testar as novas variantes em laboratório sob várias condições de reação. Os investigadores utilizaram também uma amina como aditivo, o que aumentou a reatividade entre o substrato e o catalisador. Dr. Junge: «Já tínhamos reconhecido em trabalhos anteriores que as aminas podem influenciar positivamente a produção de hidrogénio a partir do ácido fórmico.» No LIKAT, Junge e a sua equipa adquiriram uma vasta experiência neste campo ao longo dos últimos 15 anos. Foi por isso que a OxFA se interessou pelo instituto sediado em Rostock, no âmbito de um projeto financiado pelo Ministério da Economia, Desenvolvimento Regional e Energia do Estado da Baviera, que visa a produção de hidrogénio sustentável para garantir a segurança energética.
Desempenho estável em funcionamento contínuo
O resultado das experiências é um sistema catalítico capaz de processar tanto ácido fórmico comercial como biogénico numa solução aquosa altamente diluída. Na unidade-piloto da OxFA na Baviera, o processo foi testado em escala piloto sob a direção do Dr.-Ing. Florian Kohler e alcançou um tempo de funcionamento estável superior a 820 horas, com uma produção total de aproximadamente 30 metros cúbicos de hidrogénio em funcionamento contínuo. «Embora o nosso catalisador apresente uma atividade ligeiramente inferior à de outros sistemas conhecidos, consegue lidar facilmente com uma ampla gama de teores de água no ácido fórmico biogénico», afirma o Dr. Junge. O Dr. Kohler salienta que, nos ensaios contínuos, o ácido fórmico biogénico foi utilizado «tal como produzido», sem purificação adicional, o que é particularmente relevante para aplicações energéticas. Os processos de purificação baseados na destilação requerem, normalmente, uma grande quantidade de energia. Um dos principais desafios técnicos residia na gestão da água: a adição contínua de ácido fórmico diluído pode aumentar o teor de água no sistema. «O objetivo, portanto, é separar seletivamente a água e removê-la do sistema sem perder componentes ativos, tais como aditivos e catalisadores», salienta o Dr. Kohler.
Sistema bifásico como chave para o sucesso
Os investigadores optaram, por isso, pelo chamado sistema de duas fases: a mistura de reação consiste numa fase orgânica e numa fase aquosa, que — à semelhança da gordura e do caldo — se separam uma da outra. Enquanto o catalisador e o aditivo estão presentes na fase orgânica, o ácido fórmico encontra-se inicialmente na fase aquosa. Mesmo este processo de gestão — a remoção da água e a adição de ácido fórmico — requer conhecimentos precisos de engenharia de processos. Além disso, o ácido fórmico tem de atravessar eficazmente a fronteira entre as fases, uma vez que a reação só ocorre quando o ácido fórmico, o catalisador e o aditivo entram em contacto.
Potencial para conceitos energéticos futuros
Para além do metanol e do etanol, o ácido fórmico está a ganhar cada vez mais destaque como fonte e meio de armazenamento químico de hidrogénio. Nas condições descritas, o ácido fórmico pode ser convertido em hidrogénio numa faixa de concentração de 5 a 99 por cento, em condições suaves e com uma eficiência atómica de quase 100 por cento, como salientam Junge e Kohler. Em combinação com o método de produção de base biológica agora disponível, isto abre novas perspetivas para conceitos energéticos sustentáveis. De particular relevância é a elevada atividade do novo sistema já a 65 °C — e, portanto, dentro da gama das células de combustível de baixa temperatura, que funcionam abaixo dos 100 °C.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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