Biomassa vira combustível e químicos valiosos na pancada

Quebrar a complexa estrutura lignocelulósica da biomassa proveniente de resíduos agrícolas, rejeitos florestais e outras fontes renováveis, para convertê-la em biocombustíveis e produtos químicos valiosos, requer altas temperaturas, com muito gasto de energia ou tratamento químico intensivo.

Mas está emergindo uma nova alternativa, chamada de piezocatálise, um processo que converte energia mecânica diretamente em forças motrizes químicas para a conversão da biomassa.

O termo piezo refere-se ao efeito piezoelétrico, em que determinados sólidos dão um tranco quando recebem uma carga elétrica ou, ao contrário, desenvolvem um campo elétrico interno quando são comprimidos ou esticados, gerando a chamada piezoeletricidade.

Ao contrário do processamento termoquímico convencional, a piezocatálise baseia-se em materiais que se tornam eletricamente polarizados quando submetidos a uma tensão mecânica – vibração, ultrassom, agitação, fluxo de fluido ou outras forças mecânicas podem deformar esses materiais e gerar um potencial elétrico em suas superfícies. Essa polarização pode promover a separação de cargas e gerar espécies reativas de oxigênio, como radicais hidroxila e superóxidos. Essas espécies altamente reativas podem auxiliar na oxidação seletiva, despolimerização e reformação de moléculas derivadas de biomassa em condições brandas e até mesmo na ausência de luz.

“A piezocatálise oferece a oportunidade de usar a energia mecânica, já presente em muitos ambientes de processamento, para promover reações químicas em condições relativamente amenas,” disse o professor Bo Zhang, da Universidade do Sudeste da China. “Ao aprimorarmos nossa compreensão dos materiais piezoelétricos, dos mecanismos de reação e dos requisitos práticos de engenharia, essa abordagem poderá se tornar uma parte importante dos futuros sistemas de valorização da biomassa e das biorrefinarias.”

Fundamentos e perspectivas da piezocatálise para a conversão de biomassa.
[Imagem: Neyha Rubab Syed et al. – 10.48130/scm-0026-0022]

Avanços e desafios

Os pesquisadores analisaram uma ampla gama de materiais piezoelétricos, incluindo titanato de bário, óxido de zinco, niobatos sem chumbo, polímeros piezoelétricos, MXenos e materiais híbridos. Estratégias como dopagem, engenharia de defeitos e construção de heteroestruturas estão ajudando a aprimorar ainda mais esses materiais, visando a separação de cargas e o desempenho catalítico.

Mas a seleção não poderá se dar apenas pela eficiência piezoelétrica: Para a piezocatálise, a estrutura do material deve ser compatível com o tipo de estímulo mecânico e a reação química desejada em cada aplicação.

A direção mais promissora parece ser a decomposição da celulose, hemicelulose e lignina em moléculas menores, que poderão então servir como blocos de construção para combustíveis, resinas, polímeros biodegradáveis e outros produtos químicos. Mas a piezocatálise também poderá complementar o processamento de biomassa por meio do tratamento de resíduos e da recuperação de recursos.

Os primeiros estudos experimentais da catálise mecanicamente ativada são promissores. Um experimento utilizando titanato de bário piezoelétrico durante o tratamento de lodo de esgoto reduziu o teor de umidade do lodo de 96,7% para 63,9%, enquanto o peso do lodo diminuiu de 50 para 3,2 gramas.

Contudo, os pesquisadores destacam que a piezocatálise ainda não está pronta para a conversão industrial em larga escala de biomassa. Ainda será preciso melhorar a durabilidade do material a longo prazo, que sofre justamente pelas vibrações contínuas, e testar os experimentos de laboratório em escalas mais próximas da realidade industrial.