Uso de micro-ondas na preparação de suportes e catalisadores

O uso de metodologias verdes na síntese de suportes catalíticos e catalisadores tem aumentado bastante, principalmente nas últimas décadas. Neste contexto, o uso da radiação de micro-ondas como fonte de aquecimento para o meio reacional representa uma grande economia energética para a preparação de materiais catalíticos. Os menores tempos de reação e a ampliação da faixa de temperatura aplicável à síntese de materiais inorgânicos causaram uma crescente demanda industrial e científica para a adaptação de metodologias de sínteses convencionais aos novos métodos empregando micro-ondas (LIDSTROM et al., 2001; ZHU; CHEN, 2014).

Micro-ondas são ondas eletromagnéticas com frequência na faixa de 0,3 a 300 GHz e com comprimentos de onda na faixa de 1 mm a 1 m, conforme ilustrado pela Figura 2.28. Geralmente a radiação de micro-ondas utilizada pelos laboratórios e também em uso doméstico possui frequência fixa a 2,45 GHz (LIDSTROM et al., 2001; ZHU; CHEN, 2014).

Figura 2.28 - Espectro eletromagnético com os diferentes tipos de radiação.

Fonte: Acervo pessoal.

A química das sínteses envolvendo a radiação de micro-ondas é baseada no aquecimento eficiente de materiais, que na maioria dos casos são solventes, utilizando-se dos efeitos de aquecimento dielétrico. A Figura 2.29 apresenta uma comparação entre os perfis de aquecimento por micro-ondas (esquerda) e em banho de óleo (direita) durante 1 minuto. É possível observar a radiação de micro- ondas eleva a temperatura de todo o volume reacional simultaneamente, enquanto que no aquecimento por meio de banho de óleo primeiro há o aquecimento das paredes do tubo que contém a reação. Assim, o aquecimento do meio reacional por banho de óleo demanda um tempo muito maior para atingir a temperatura desejada.

Figura 2.29 - Perfil de temperatura após um minuto de aquecimento em reator de micro-ondas

(esquerda) e em banho de óleo (direita).

Fonte: Adaptado de Zhu e Chen (2014).

Desta forma, as sínteses realizadas em micro-ondas são mais efetivas e ambientalmente amigáveis, pois apresentam menor tempo e demanda de energia. O aquecimento por micro-ondas envolve dois principais mecanismos: (i) polarização dipolar e (ii) condução iônica. Para que uma substância seja capaz de gerar calor quando irradiada por micro-ondas, esta deve ser um dipolo, ou seja, em sua estrutura molecular deve haver uma porção parcialmente carregada positivamente e outra carregada negativamente. Como o campo elétrico do micro-ondas é oscilante (com frequência de 2,45 GHz, ou seja, 2450 milhões de vezes por segundo), os dipolos presentes no meio reacional tendem a se alinharem com o campo elétrico oscilante por meio da rotação molecular, que provoca a fricção e, como consequência, provoca a liberação de energia na forma de calor. Já no mecanismo de condução iônica, os íons presentes no meio reacional oscilam para frente e para trás sobre a influência da radiação de micro-ondas. Estas oscilações causam colisões das partículas carregadas com as moléculas ou átomos vizinhos e, como consequência, causam a liberação de calor (LIDSTROM et al., 2001; ZHU; CHEN, 2014). A Figura 2.30 ilustra os dois principais mecanismos de aquecimento dielétrico por micro-ondas.

Figura 2.30 - Mecanismos de aquecimento dielétrico por micro-ondas.

Fonte: Adaptado de Zhu e Chen (2014).

O termo aquecimento dielétrico sugere que um material deve possuir certas propriedades dielétricas para ser eficientemente aquecido na presença de um campo elétrico de micro-ondas. As características de um material em particular na presença de micro-ondas são dependentes da habilidade desta substância em converter energia eletromagnética em calor. Esta habilidade é chamada de tangente de perda (tan δ), conforme apresentado na equação 2.38 (LIDSTROM et al., 2001; ZHU; CHEN, 2014).

(2.38)

Onde ε,, _{representa a perda dielétrica, ou seja, a eficiência no qual a}

radiação eletromagnética é convertida em calor e ε, _{representa a constante dielétrica}

do material, ou seja, a polarizabilidade de moléculas no campo elétrico. Desta forma, uma substância que possua um alto valor de δ é um bom absorvedor de radiação de micro-ondas e converte eficientemente a energia eletromagnética em calor. A água destilada que é muito utilizada em várias sínteses utilizando a radiação de micro- ondas é considerado um solvente com média capacidade de absorver a radiação e convertê-la em calor (δ=0,123) quando comparada com um solvente com alta absorção como o etilenoglicol (δ=1,350). A Tabela 2.12 apresenta um comparativo

entre sínteses conduzidas em aquecimento condutivo (banho de óleo, banho de areia, placa de aquecimento, etc) e aquecimento em micro-ondas.

Tabela 2.12 - Comparação entre o aquecimento por condução e aquecimento por micro-ondas.

Aquecimento condutivo Aquecimento por micro-ondas

Maior quantidade de solvente Menor quantidade de solvente Alta dissipação de energia para o

meio Alta eficiência energética

Aquecimento lento do meio reacional Rápido aquecimento do meio _reacional Energia é transferida através das

paredes do tubo reacional e então dissipada para a reação

Tubo reacional é transparente à energia micro-ondas; direta ativação

das moléculas na solução Ao fim da reação a mistura reacional

deve resfriar até a temperatura ambiente

Ao fim da reação o fornecimento de energia ao meio reacional termina; há

ainda a possibilidade resfriamento do tubo reacional em menos de 5

minutos Reação limitada ao ponto de ebulição

do solvente

A reação pode ser conduzida em temperaturas até 100 °C superiores

ao ponto de ebulição do solvente

Fonte: Adaptado de Zhu e Chen (2014).

Se o meio reacional é selado, a mistura reacional pode alcançar temperaturas muito superiores ao ponto de ebulição do solvente utilizado, conduzindo a uma drástica redução dos tempos de reação, de horas a poucos minutos de reação. A velocidade de aceleração da reação baseada na Lei de Arrhenius, que estabelece que a velocidade da reação é dobrada quando há um aumento na temperatura de reação de 10 °C.

3. ANÁLISE DO ESTADO DA ARTE E DETERMINAÇÃO DOS