Até as descobertas de Lavoisier, relacionadas à natureza da combustão e composição da água, e do aparecimento da teoria atômica de Dalton, não havia nenhuma base cientifica para ajudar a interpretar fenômenos químicos ou catalíticos. Entretanto, foi durante o século XIX que o fenômeno catalítico atraiu mais atenção, e, em 1834, foi publicada a primeira patente de catalisadores, a qual empregava platina na oxidação de enxofre a dióxido de enxofre. Mas, foi Berzelius quem ressaltou a importância do catalisador, e da catálise em si, nas reações químicas em 1836. Ele observou que certas substâncias poderiam induzir atividades químicas por sua simples presença no meio reacional, e este fenômeno ele denominou “catálise”.
O desenvolvimento da físico-química e a utilização de catalisadores na indústria aumentaram o interesse e a importância da catálise, e, em 1901, Ostwalt definiu um catalisador como: uma substância que altera a velocidade da reação e não aparece como produto final.
A ciência da catálise evolui, consideravelmente, a partir de 1970 com o desenvolvimento de técnicas analíticas como: cromatografia gasosa, espectroscopia de emissão e absorção atômica, microscopia eletrônica de transmissão (MET), difração de raios X (DRX), espectroscopia de absorção de raios X, etc.
A catálise provocou uma revolução na indústria, que começou em 1930 com substituição do carvão pelo petróleo, e atualmente é responsável por cerca de 85% de todos os processos industriais petroquímicos e químicos nas grandes indústrias.
O CATALISADOR
Catalisador é uma substância que, sem ser consumida durante a reação, aumenta a sua velocidade. Isso acontece porque o catalisador é utilizado numa etapa inicial, do mecanismo da reação química, e é regenerado na etapa seguinte. Ele atua, simplesmente, mostrando um mecanismo alternativo para a reação, sendo que, neste a energia de ativação é menor que o mecanismo convencional ou não-catalisado.
Uma área de extrema importância, e, principalmente, em expansão, o termo catalisador pode ser ampliado para material catalítico, uma vez que seu uso agora não se restringe somente à catálise, mas, em outras áreas como: sensores de gases, equipamentos eletrônicos, adsorventes, meio ambiente e outras.
Qualquer composto químico pode ter ação catalítica sobre uma ou outra circunstância. Uma discussão sobre catalisadores requer definição e limitação, e, na teoria catalítica, é considerado catalisador somente os materiais que influenciam na velocidade da reação, portanto, calor, luz, eletricidade (ou energia) são excluídos.
Os catalisadores podem ser, primeiramente, classificados em função de sua superfície em: catalisadores com e sem superfícies definidas. Catalisadores sem superfície definida são constituídos de um gás ou um líquido (geralmente viscoso); catalisadores com superfície definida são sólidos, onde a natureza e o valor da área de superfície são propriedades importantes, são características fundamentais da sua atividade, como por exemplo, níquel, alumina, sílica-alumina, etc.
Os catalisadores podem ser classificados em homogêneos e não-homogêneos.
CATALISADOR HOMOGÊNEO
Aqui, o catalisador e os reagentes estão presentes na mesma fase. Como vantagens da catálise homogênea têm-se: quase todas as moléculas de catalisador durante a ação catalítica são utilizadas, possui uma alta seletividade em algumas reações, e o controle dos parâmetros reacionais de temperatura e pressão são mais fáceis.
Mas a catálise homogênea também apresenta desvantagens dentre as quais podemos citar: custos elevados nos procedimentos de separação e recuperação do catalisador, problemas de corrosão em algumas reações que utilizam solventes ácidos como catalisadores e a possibilidade de contaminação do produto pelo catalisador ou pelos resíduos formados durante o processo.
Há 2 tipos principais de catálise homogênea: alcalina e ácida.
A catálise homogênea alcalina normalmente é realizada com catalisadores como NaOH, CH3ONa, KOH, entre outros. Esses catalisadores são mais econômicos quando o processo é realizado a baixas temperaturas (40-60°C), tempo reduzido de reação (30-90 minutos) e sob pressão atmosférica. Além da razão de conversão ser alta, não há nenhuma etapa intermediária. Entretanto, a catálise alcalina homogênea é extremamente higroscópica e absorve quantidades significativas de água durante o processo de estocagem.
Já a catálise homogênea ácida inclui catalisadores como o ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido clorídrico e ácido sulfônico orgânico (FREEDMAN et al., 1984). Esses tipos de catalisadores requerem um tempo de reação mais longo, com reação cerca de 4000 vezes mais lenta do que a básica, e elevadas temperaturas para a completa conversão (SRIVASTAVA e PRASAD, 2000). Contudo, como vantagem, os Revisão Bibliográfica 25 catalisadores ácidos não são afetados pela presença de ácidos graxos livres na matéria-prima. Esses catalisadores podem catalisar simultaneamente processos de esterificação assim como transesterificação. É uma grande vantagem pois podem produzir biodiesel a partir de matéria-prima lipídica barata, associada com uma alta concentração de FFA (óleos usados e gorduras, geralmente possuem níveis de FFA superiores a 6%).
CATALISADOR HETEROGÊNEO
Nas reações catalíticas heterogêneas, o catalisador, os reagentes e os produtos da reação estão em fases diferentes. Normalmente, ela é o resultado da transformação de moléculas na interface sólido (o catalisador) - fase gasosa ou líquida. Ela começa com a adsorção de uma molécula na superfície do catalisador. Essa adsorção pode ser relativamente fraca, fenômeno denominado de adsorção física ou de van der Waals, ou pode ser mais forte, denominada adsorção química ou quimissorção. Com relação aos aspectos morfológicos, os catalisadores heterogêneos podem ser de diferentes formas, tais como: pellets cilíndricos ou não, pastilhas, esferas, partículas irregulares etc.
A catálise heterogênea possui algumas vantagens, dentre elas, maior facilidade em separar o catalisador do meio reacional, eliminação dos problemas de corrosão e de tratamento de efluentes. Porém, também possui algumas desvantagens como a dificuldade em controlar a temperatura para reações muito exotérmicas e as limitações de transferência de massa dos reagentes e produtos, seja na interface das partículas, seja dentro dos poros do catalisador. Mas, mesmo com algumas desvantagens, os catalisadores heterogêneos são os mais utilizados na indústria química.
Nos últimos anos, a catálise heterogênea está sendo amplamente preferida para estudos por vários pesquisadores em relação à catálise homogênea. Esse interesse não ocorre somente por parte dos pesquisadores, mas principalmente pelo meio industrial, que considera os catalisadores heterogêneos mais econômicos.
Hoje, não podemos imaginar a indústria sem o impacto dos catalisadores, que impulsionam processos essenciais em diversos setores.
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Referências
SILVA, Janiciara Botelho; RODRIGUES, José Augusto Jorge; NONO, Maria do Carmo de Andrade. Caracterização de materiais catalíticos. Qualificação de Doutorado, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), 2008.
RABELO, Sabrina Nogueira. Produção de biodiesel em um reator de micro-ondas utilizando catálise homogênea e heterogênea, e o desenvolvimento de modelos quimiométricos para quantificação. 2015.
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