APLICAÇÃO TECNOLÓGICA 03: PRODUÇÃO DE NANOTUBOS DE

Segundo AJAYAN (2001), os nanotubos de carbono foram descobertos acidentalmente somente em 1991 e foi capaz de introduzir uma nova direção a ser seguida no estudo de carbonos. Esses tubos com diâmetros na ordem de grandeza dos nanômetros apresentam ótimos valores de propriedades físicas, como a resistência a tração 100 vezes maior do que o aço inoxidável, e eletrônicas que fazem autores enxergarem diversas promissoras aplicações (AJAYAN, 2001; BAZARGAN, 2012).

Os nanotubos apresentam em seu arranjo de carbonos um formato hexagonal ao longo do diâmetro do composto, com uma simetria molecular que lhe confere um caráter eletrônico único (AJAYAN, 2001). É válido lembrar que esse material pode ser composto em uma única parede, conhecido como nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs – Single-Walled Carbon NanoTubes), ou compostos por diferentes paredes, conhecido como nanotubos de carbono de múltiplas paredes (MWCNTs – Multi-Walled Carbon NanoTubes) (AJAYAN, 2001; SCHNORR, 2011).

Figura 3.5: Estrutura dos nanotubos de carbono - Fonte: Adaptado de SCHNORR, 2011 Nesse sentido, tamanho, estrutura, topologia da molécula combinam-se permitindo aos nanotubos de carbono apresentar elevada estabilidade, força e rigidez, combinada a uma baixa densidade e deformabilidade elástica, além das propriedades de superfície (AJAYAN, 2001).

Entre as principais potenciais aplicações dos nanotubos de carbono, podemos resumir parte dos dados apresentados por AJAYAN (2001) e SCHNORR (2011) nas seguintes áreas:

• Componentes eletrônicos: Esse potencial de aplicação é por conta de seu tamanho nanométrico, integridade estrutural, estabilidade química e principalmente por sua elevada condutividade elétrica, o que torna o material um ótimo emissor de elétrons (AJAYAN, 2001);

• Armazenamento de energia: Para esse caso, aplicação de nanotubos de carbono em baterias de lítio e a utilização desse material como armazenamento de hidrogênio tem sido as principais aplicações. Para as baterias de Li, o material tem um melhor desempenho quando usado como eletrodos da bateria, já que apresenta maior capacidade de armazenamento e taxa de desempenho, enquanto para a armazenagem de H2, SWCNTs

apresentam uma elevada adsorção desse composto (AJAYAN, 2001);

• Materiais compósitos: Segundo AJAYAN (2001), por conta da elevadíssima rigidez desse material, a inserção desse material pode possibilitar a produção de materiais com maior rigidez, como foi estudado por BORSODI et al. (2016) e WU et al. (2016);

• Sensores: A resistividade elétrica dos SWCNTs pode mudar sensivelmente em ambientes gasosos contendo moléculas de NO2, NH3 e O2, então é possível

monitorar precisamente a presença desses gases pela mudança de condução elétrica (AJAYAN, 2001);

• Aplicações biomédicas: Apesar dos estudos serem iniciais, esse material pode ser utilizado como transportadores das células T, distribuidores de drogas anticâncer e, ainda, na aplicação como componentes bioelétricos, a fim de excitar neurônios passando corrente por esse composto (SCHNORR, 2011);

Apesar de inúmeras aplicações possíveis, temos que destacar os desafios da aplicação dos nanotubos de carbono. Segundo AJAYAN (2001), a quantidade de nanotubos que a indústria necessita é muito acima do que é produzido, faltando técnicas disponíveis capaz de produzir esse material em maior escala e com pureza e qualidade satisfatórias. Em caráter similar ao fulereno e a fibra de carbono no início de suas pesquisas, os preços de nanotubos de carbonos são elevados para aplicações comerciais (AJAYAN, 2001).

Os métodos existentes para produção desse composto possuem elevadas demandas de energia e recursos e o método preferido para produção em larga escala é a deposição química catalítica de vapor (CCVD – catalytic chemical vapor deposition) (BAZARGAN, 2012). Buscando tecnologias mais eficientes e de menor custo, resíduos poliméricos têm sido utilizados como fonte de carbono para essa produção via pirólise, podendo unir benefícios ambientais e financeiros, dado o valor desse produto (BAZARGAN, 2012; MISHRA et al., 2011). Além disso, não somente resíduos plásticos sólidos e gases de hidrocarbonetos, como também o óleo de pirólise pode ser utilizado para a produção de nanotubos de carbono (BORSODI et al., 2016). É válido lembrar outro ponto vantajoso que, durante a transformação do resíduo plástico nesse material, há a produção de hidrogênio (H2) também, composto que, quando comparado com o diesel,

mostra-se como um combustível com elevado poder calorífico e menor pegada de carbono (BAZARGAN, 2012; BORSODI et al., 2016; SHARMA, 2020; WU et al., 2016).

Em relação a configuração de reatores para a produção de nanotubos via pirólise de RSP, alguns autores como BORSODI et al. (2016) e WU et al. (2016) utilizam uma combinação de passos para a conversão do carbono do polímero no produto desejado, como, por exemplo, uma pirólise seguida de uma reforma catalítica a vapor. Segundo

BAZARGAN (2012), a utilização de dois passos na produção desse material possibilita a utilização do líquido gerado pela pirólise em diversas aplicações, como já discutidas previamente neste trabalho.

Estudos relacionados à produção dos nanotubos com a matéria-prima utilizada, mostraram que, além dos contaminantes presentes nos plásticos pós-consumo, a inclusão de PET e PVC diminuiu a conversão do processo, pela contaminação do catalisador presente no PVC (BAZARGAN, 2012; BORSODI et al., 2016; SHARMA, 2020). Apesar dos pontos negativos, deve-se atentar para os seguintes fatos: os resíduos plásticos produzem mais gases na pirólise do que os polímeros virgens, a adição de poliamida eleva a conversão e se obtém uma maior conversão para o PEAD, uma mistura igualitária em massa de PEAD e PP e, também, para misturas de resíduos plásticos, tendo um maior teor de contaminantes na última amostra (BORSODI et al., 2016; SHARMA, 2020). BAZARGAN (2012) lembra que grande parte dos estudos realiza pesquisas com polímeros virgens e que essas cargas não são representativas, quando comparadas com RSP.

A escolha correta do catalisador e da configuração do reator permitem maior eficiência do processo, tanto na diminuição da temperatura requerida, quanto do custo. (BORSODI et al., 2016). BAZARGAN (2012) e SHARMA (2020) observam que quanto menor a partícula do catalisador, menor será o diâmetro do nanotubo de carbono formado, porém o último autor que afirma que isso é válido somente para temperaturas abaixo de 800 °C.

Ainda no âmbito dos catalisadores, metais de transição são os mais comuns para a utilização, como níquel (Ni) e ferro (Fe) (SHARMA, 2020). É válido observar que diversos autores afirmam que combinações de mais de um metal é benéfica para a geração de nanotubos de carbono, aumentando a atividade catalítica (BAZARGAN, 2012; BORSODI et al., 2016; SHARMA, 2020). Em experimento prático com resíduos de PP, WU et al. (2016) utilizou dois catalisadores variando a utilização de manganês (Mn) em catalisador com mais de um metal, onde foi observado que houve maior produção de nanotubos de carbono, quando comparado a outros metais.

Em relação ao impacto da temperatura, foi observado que temperaturas elevadas (entre 700 °C e 800 °C) produzem maior quantidade de nanotubos com maior pureza e, também, de H2 (MISHRA et al., 2011; SHARMA, 2020). Os autores da última publicação

explicam que há uma maior decomposição dos resíduos plásticos na pirólise, favorecendo a formação dos gases, e maior atividade catalítica. A elevação excessiva da temperatura, contudo, pode trazer malefícios para o método, visto que o fornecimento excessivo de carbono aos catalisadores pode causar a contaminação do catalisador, comprometendo a conversão, e a aglomeração das partículas metálicas em elevadas temperaturas podem gerar nanotubos de carbono com diâmetros maiores (SHARMA, 2020). Deve-se levar em conta também o custo do processo para trabalhar com temperaturas mais elevadas (custo de energia e de materiais que suportem temperaturas mais elevadas) e, por isso, é necessária uma análise detalhada para definir os parâmetros ideais de cada processo.

Autores têm estudado a utilização de vapor d’água na conversão da carga em nanotubos de carbono e gás hidrogênio, onde se observou que a adição do vapor favorece a produção de H2 e minimiza tanto a quantidade, quanto a qualidade dos nanotubos

(SHARMA, 2020). Ou seja, dependendo do desejo de produto final pela indústria, pode- se utilizar a reforma a vapor como forma de favorecer a produção de H2.

Com o intuito de analisar a modificação das propriedades, BORSODI et al. (2016) e WU et al. (2016) realizaram estudos práticos aplicando nanotubos de carbono produzidos com carga de resíduos poliméricos em PEBD virgem, 0,5 wt% e 2 wt%, respectivamente. Apesar de ambos os autores observarem defeitos na estrutura desses nanotubos, em ambos os casos as propriedades físicas como resistência a tração e módulo de Young foram melhoradas consideravelmente. BORSODI et al. (2016) complementa afirmando que um dos fatores mais vantajosos dessa aplicação foi que possibilitou uma leve redução da densidade do material reforçado, que pode possibilitar a redução um menor consumo de combustíveis, caso seja utilizado em automóveis.

SHARMA (2020) ainda lembra que, para produção em maiores escalas, é importante realizar a separação do catalisar da amostra produzida, podendo ser utilizado tratamento ácido, como WU et al. (2016) realizou, mas podendo causar danos ao nanotubo de carbono.

Analisando os artigos descritos nesta seção, podemos observar, portanto, que a utilização do produto da pirólise de resíduos plásticos na produção de nanotubos de carbono é perfeitamente viável tecnicamente. Maiores estudos precisam ser realizados para expandir esta tecnologia para escalas industriais, tornando-a viável também economicamente. Vale ressaltar que o reaproveitamento do resíduo plástico em outros

ramos da indústria engloba aspectos de sustentabilidade e circularidade, trazendo à tona a necessidade de estudos de avaliação de impacto ambiental, mostrando os benefícios do uso desta tecnologia.

Ademais, caso a aplicação desse material em baterias de lítios traga excelentes avanços tecnológicos, melhorando de forma considerável a capacidade de armazenamento de energia, poderemos ter carros elétricos com maiores autonomias, fator que pode possibilitar, por exemplo, uma maior taxa de inserção desses carros no setor de automóveis.

Em minha visão, essas três aplicações tecnológicas descritas nesse texto compreendem as oportunidades com maior potencial de transformação dos resíduos sólidos plásticos em produtos de maior valor agregado em elevada escala, por meio da pirólise. Além disso, há também diversas possíveis aplicações relevantes e algumas delas serão descritas no próximo item.