ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
BRUNO ROSSI DA CUNHA
O PAPEL DA QUÍMICA VERDE NO DESENVOLVIMENTO
SUSTENTÁVEL E A APLICAÇÃO DOS SEUS PRINCÍPIOS NA
INDÚSTRIA QUÍMICA.
Lorena 2014
O PAPEL DA QUÍMICA VERDE NO DESENVOLVIMENTO
SUSTENTÁVEL E A APLICAÇÃO DOS SEUS PRINCÍPIOS NA
INDÚSTRIA QUÍMICA.
Monografia apresentada à Escola de Engenharia de Lorena – Universidade de São Paulo como requisito parcial para conclusão da graduação do Curso de Engenharia Química.
Áreas de concentração: Engenharia Ambiental e Tecnologia Química. Orientadora: Profª Drª Jayne Carlos de Souza Barboza.
Lorena - SP 2014
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizado da Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a) CUNHA, BRUNO ROSSI DA
O PAPEL DA QUÍMICA VERDE NO DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL E A APLICAÇÃO DOS SEUS PRINCÍPIOS NA INDÚSTRIA QUÍMICA / BRUNO ROSSI DA CUNHA; orientadora JAYNE CARLOS DE SOUZA BARBOZA. - Lorena, 2014.
63 p.
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia Química - Escola de Engenharia de Lorena da
Universidade de São Paulo. 2014
Orientadora: JAYNE CARLOS DE SOUZA BARBOZA 1. QuÍmica verde. 2. Engenharia ambiental. 3. Tecnologia quÍmica. 4. Sustentabilidade. I. Título. II. BARBOZA, JAYNE CARLOS DE SOUZA, orient.
Dedicatória
Aos meus pais, Vânia e Paulo.
Por eles sempre colocarem minha irmã e eu em primeiro plano. Muito obrigado!
Em primeiro lugar, a Deus.
À minha orientadora, Profª Drª Jayne Carlos de Souza Barboza, por ter aceitado me apoiar na elaboração deste projeto.
Aos meus pais e minha irmã, Marina, por estarem presentes em minha vida sempre, nos momentos difíceis dando suporte e nos momentos de alegria comemorando junto a mim. Obrigado, amo vocês.
À Rep. del Ponte, por ter propiciado a mim os cinco melhores anos da minha vida, onde ganhei grandes amigos e sinto que evolui como ser humano ao conviver com pessoas tão diferentes de mim, onde aprendi a ser uma pessoa madura e, por fim, onde tive meu refúgio e ganhei uma nova família que levarei para sempre comigo em alma e coração. Caras, amo vocês.
Aos meus queridos amigos Gigs, Wilson, Léo e Meia, por sempre estarem presentes durante minha vida acadêmica, pela paciência, pelos momentos divertidos e por sempre estarem dispostos a ajudar. Obrigado, time.
Ao MACVEST, participar deste projeto durante dois anos fez com que eu me tornasse uma pessoa mais solidária e com um engajamento social maior. Agradeço a todos os voluntários e alunos por todos os bons momentos vividos neste lindo projeto, o voluntariado sempre fará parte da minha vida muito por causa de vocês.
À Escola de Engenharia de Lorena e a todos os seus docentes, funcionários e colaboradores, devo todo o meu conhecimento adquirido neste período de tempo graças a vocês, sua paciência, sua dedicação e seu amor pelo ensino. Minha gratidão a todos os responsáveis pela minha formação é imensa, obrigado.
CUNHA, B. R. O papel da Química Verde no Desenvolvimento Sustentável e
a aplicação dos seus princípios na indústria química. 2014. 63f. Trabalho de
conclusão de curso – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, 2014.
Dentro da situação de alerta climático que o nosso planeta enfrenta atualmente, a indústria Química surge com um papel duplo. Por um lado, é responsável por algumas das causas que vêm gerando esta circunstância e por outro lado tem um papel preponderante para atenuar e reverter este cenário de alerta. Considerando este duplo papel surge a Química Verde, um segmento da química que busca processos alternativos que gerem menos poluição, resíduos, que apresentem alta eficiência energética, preze pelo uso de matérias primas renováveis e gere produtos biodegradáveis e seguros para a sociedade e meio ambiente. Neste contexto, este estudo tem como objetivo expor o impacto positivo da aplicação dos princípios da Química Verde nas vertentes social, econômica e ambiental. Por meio de dados coletados em artigos científicos, publicações e livros sobre temática ambiental, este estudo apresenta o histórico da Química Verde e evolução deste tema, o Desenvolvimento Sustentável e a posição brasileira no índice de Sustentabilidade no ano de 2014, o método para desenvolver a Química Verde e a aplicação de seus princípios em procedimentos químicos industriais, apresentando as vantagens em relação a procedimentos clássicos, que eram utilizados anteriormente aos procedimentos chamados verdes.
Palavras-chave: Química Verde. Princípios da Química Verde. Desenvolvimento Sustentável. Sustentabilidade.
CUNHA, B. R. O papel da Química Verde no Desenvolvimento Sustentável e
a aplicação dos seus princípios na indústria química. 2014. 63f. Trabalho de
conclusão de curso – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, 2014.
Within the situation of climate alert that our planet suffers nowadays, the Chemical industry rises with a double role. On the one hand it is responsible for some reasons that have generated this circunstance and on the other hand it has a preponderant role to attenuate and reverse this scenary of alert. Considering this double role rises the Green Chemistry, a Chemistry’s segment that searches alternative process that generates less pollution, waste, presents high energy efficiency, regard the use of renewable raw material and generates biodegradable and safe products to society and environment. In this context, this study has as objective shows the positive impact of using the principles of Green Chemistry in the social, economical and environmental aspects. Through the information collected in scientifical articles, publications and books about environmental themes, this study shows the history of Green Chemistry and its evolution, the Sustainable Development and the Brazil’s position in the Index of Sustainability in 2014, the method to develop the Green Chemistry and the application of its principles in chemical industry procedures, showing its advantages over classical procedures, previously used than procedures called greens.
Keywords: Green Chemistry. Principles of Green Chemistry. Susteinable Development. Sustainability.
Figura 1 - Os três indicadores de sustentabilidade. 20 Figura 2 - Perfil brasileiro quanto ao desenvolvimento sustentável . 22 Figura 3 - Perfil brasileiro quanto ao desenvolvimento sustentável,
por categorias. 23
Figura 4 - Os pilares no desenvolvimento da Química Verde. 24
Figura 5 - Logotipos das iniciativas. 27
Figura 6 - Geração de energia a partir de biomassa. 31 Figura 7 - Rotas tradicional e verde na síntese de Sertralina. 35 Figura 8 - Rotas tradicional e verde na síntese de Ibuprofeno. 37 Figura 9 - Rotas de obtenção do Anidrido maléico. 38 Figura 10 - Rota tradicional e verde para síntese de Policarbonato. 39
Figura 11 - Estruturas de Spinosad e DDT. 40
Figura 12 - Síntese de uma piridina livre de solventes. 42 Figura 13 - Diagrama de fases do fluído supercrítico. 43 Figura 14 - Extração da cafeína com dióxido de carbono supercrítico. 44 Figura 15 - Cátions e Ânions em líquidos iônicos. 45 Figura 16 - Primeiras reações orgânicas conduzidas em
micro-ondas doméstico. 47
Figura 17 - Reações livres de solventes com aquecimentoem micro-ondas
a)Pinacol b) Alquilação Aniônica 48
Figura 18 - Matriz energética brasileira em 2012. 49 Figura 19 - D-sacarose e seu uso na produção de intermediários sintéticos 50 Figura 20 - Rotas tradicional e verde na síntese do ácido adípico. 51
Figura 21 - Síntese de DSIDA. 52
Figura 22 - Descarboxilação de um sal via fotocatálise a 380 nm. 53
Figura 23 - Biocatálise da 3-cianopiridina 54
Tabela 1 - Fator E de segmentos industriais 28 Tabela 2 -Vantagens e Desvantagens do CO2 como solvente supercrítico. 43
LISTA DE SIGLAS
ABIQUIM Associação Brasileira da Indústria Química CHEMRAWN The Chemical Research Applied to World Needs
CIESIN Center for International Earth Science Information Network DDT Diclorodifeniltricloroetano
EPA Environmental Protection Agency EPI Environmental Performance Index
GIEQ Grupo de Investigação no Ensino da Química
GPQ Grupo de Estudo e Pesquisa em Química Verde, Sustentabilidade e Educação.
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística.
INCA Interunivesity Consortiun Chemistry for the Environment. ISO International Organization for Standardization.
IUPAC International Union for Pure and Applied Chemistry. MME Ministério de Minas e Energia.
PGCC The Presidential Green Chemistry Challenge. PIB Produto Interno Bruto.
PmaisL Rede Brasileira de Produção mais Limpa. WWI Worldwatch Institute.
YCELP Yale Center for Environmental Law and Policy.
1. INTRODUÇÃO 13 2. JUSTIFICATIVA 15 3. OBJETIVOS 16 3.1. OBJETIVO GERAL 16 3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 16 4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 17
4.1. QUÍMICA VERDE: DEFINIÇÃO 17
4.2. HISTÓRICO DA QUÍMICA VERDE E SUA EVOLUÇÃO 17
4.3. O DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL 19
4.4. COMO DESENVOLVER A QUÍMICA VERDE 23
4.4.1. Educação 24
4.4.2. Pesquisa 25
4.4.3. Indústria (Tecnologia) 26 4.5. OS DOZE PRINCÍPIOS DA QUÍMICA VERDE 27
4.5.1. Prevenção 27
4.5.2. Economia de átomos 29
4.5.3. Reações com compostos de menor toxicidade 29 4.5.4. Desenvolvimento de produtos seguros 30 4.5.5. Reduzir o uso de substâncias auxiliares 30
4.5.6. Eficiência energética 30
4.5.7. Utilizar matérias primas renováveis 31 4.5.8. Evitar formação de derivados 32
4.5.9. Potencializar a catálise 32
4.5.10. Desenvolvimento de produtos biodegradáveis 33 4.5.11. Análise em tempo real para prevenção
da poluição 33
4.5.12. Química para a prevenção de acidentes 33 4.6. ANÁLISE E APLICAÇÃO DOS 12 PRINCÍPIOS DA QUÍMICA
VERDE EM PROCESSOS INDUSTRIAIS 34
4.6.1. Prevenção 34
4.6.3. Reações com compostos de menor toxicidade 38 4.6.4. Desenvolvimento de produtos seguros 39 4.6.5. Reduzir o uso de substâncias auxiliares 41 4.6.5.1. Sistemas livres de solventes 41 4.6.5.2. Sistemas com fluído supercrítico 42
4.6.5.3. Líquidos iônicos 45
4.6.6. Eficiência energética 46
4.6.7. Utilizar matérias primas renováveis 48 4.6.8. Evitar formação de derivados 51
4.6.9. Potencializar a catálise 52
4.6.10. Desenvolvimento de produtos biodegradáveis 54 4.6.11. Análise em tempo real para prevenção da
poluição 55
4.6.12. Química para a prevenção de acidentes 56
5. METODOLOGIA 57
6. CONCLUSÕES 58
7. TRABALHOS FUTUROS 59
1. INTRODUÇÃO
A indústria química tem uma grande participação diária na vida das pessoas com diversos produtos fundamentais que variam do ramo alimentício, cosmético, farmacológico, energético e de higiene pessoal.
De acordo com dados da Associação Brasileira da Indústria Química (ABIQUIM) e do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), a indústria química brasileira simboliza a 4ª maior participação no Produto Interno Bruto (PIB) industrial dentre as indústrias de transformação, com um percentual de 9,9%, atrás apenas de indústrias alimentícias, derivados de petróleo e de veículos automotores. Vale ainda destacar que desde a década de 90 a indústria química sempre esteve entre os quatro principais PIB de indústrias de transformação. Ainda de acordo com o IBGE o setor químico respondeu, em 2011, por um percentual de 2,5% do PIB do país.
Nas últimas décadas, a indústria química vem ganhando destaque nos cenários nacional e mundial, não só pela sua grande fatia no mercado, mas também pelos maus causados ao meio ambiente, à sociedade e ao desenvolvimento sustentável. Graves problemas ambientais vêm ocorrendo nos últimos anos nos grandes centros devido à indústria química. O aquecimento global, causado principalmente por atividades humanas associadas à indústria. A chuva ácida, que ocorre devido ao alto grau de poluição atmosférica e que causa problemas à saúde e a monumentos. A inversão térmica, que causa graves problemas ao trato respiratório da população de grandes centros mundiais.
A preocupação com os inconvenientes citados acima pode ser observada, pois, nos últimos anos, houve um aumento considerável da pressão social e governamental às indústrias químicas no sentido de desenvolver ou aprimorar procedimentos nos quais o dano socioambiental seja reduzido ou extinto.
Eis que com todos os problemas e discussões relacionados ao bem estar socioambiental surgiu um novo conceito: a Química Verde.
A Química Verde tem a preocupação primordial de desenvolver métodos tecnológicos de procedimentos químicos que sejam incapazes de causar poluição ou danos à sociedade. Com esse novo conceito surgiu também os seus doze princípios, uma espécie de regulamentação proposta por Paul Anastas e John
Warner, que indica uma listagem de metodologias que, se aplicadas na indústria química, levam a um processo mais limpo e menos prejudicial ao meio e à humanidade.
Os doze princípios, quando aplicados, geram benefícios ambientais e econômicos, uma vez que há diminuição considerável de gastos relacionados a armazenamento, tratamento de resíduos e contaminações.
O questionamento global sobre todos os prejuízos ambientais causados pelo homem, desde a Revolução Industrial até os dias atuais, vem ganhando um foco maior a cada dia na mídia. A resposta obtida para dar suporte na solução dos problemas relacionados às atividades humanas está baseada em uma combinação de fatores completamente relacionados entre si como: sociais, econômicos e científicos. A Química verde deve ser aplicada em práticas curriculares para desenvolver a visão cientifica da mesma, após isso poderá ser aplicada na indústria em escala comercial, gerando um impacto positivo na sociedade, meio ambiente e economia.
Enfim, o presente exposto tem como objetivo mostrar o potencial da Química Verde na indústria química e apresentar os seus princípios e aplicações na indústria química.
2. JUSTIFICATIVA
A questão ambiental e o desenvolvimento sustentável são uns dos grandes assuntos da moda tanto no cenário nacional como mundial. A busca por tecnologias mais limpas por parte das indústrias químicas em seus processos é um dos principais objetivos desejados e requeridos nas sínteses químicas, por este motivo, esta monografia visa apresentar os esforços realizados por pesquisadores e empresas do ramo químico, no âmbito de aplicar novas tecnologias e processos nos quais haja menores gastos, menos desperdícios e produtos não prejudiciais ao meio e a sociedade, além de apresentar as melhorias e vantagens da aplicação de sínteses verdes em substituição às sínteses marrons.
3. OBJETIVOS
3.1. OBJETIVO GERAL: Abordar o tema Química Verde e Desenvolvimento
Sustentável contextualizando seu histórico e o impacto positivo de sua aplicação na vertente sócio-econômico-ambiental.
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Apresentar o que já vem sendo discutido em relação à evolução da Química Verde nos âmbitos educacional e industrial.
Discutir os 12 princípios da Química Verde e apresentar aplicações destes princípios na indústria.
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
4.1. QUÍMICA VERDE: DEFINIÇÃO.
Há cerca de 25 anos, na década de 90, a indústria química vem buscando adotar medidas de redução, prevenção e eliminação das causas dos impactos ambientais que ela mesma vem gerando. No princípio da década de 90, os químicos Paul Anastas e John Warner que trabalharam na Environmental Protection Agency (EPA) propuseram o conceito de Química Verde para referir-se às tecnologias químicas que visam prevenir a contaminação (CASULLO; SOUBIRÓN, 2012).
E ainda, de acordo com Schneider (2008), a química verde tem como foco desenvolver produtos e processos que reduzam ou eliminem o uso e a produção de substâncias perigosas à saúde humana e ao ambiente. Os conhecimentos gerados também podem servir de guia para as mudanças no comportamento humano. Com a implantação da cultura da química verde poderá haver redução do uso e de geração de substâncias nocivas.
4.2. HISTÓRICO DA QUÍMICA VERDE E SUA EVOLUÇÃO.
Os primórdios da Química Verde se passaram há pouco mais de vinte anos, exatamente no ano de 1991 quando a EPA, por meio de seu escritório para prevenção da poluição, lançou o programa conhecido como “Rotas sintéticas alternativas para prevenção de poluição”, este acontecimento caracteriza o nascimento da Química Verde, que ainda não era conhecida por este nome (LENARDÃO, 2003).
Em 1993, na Itália, estabeleceu-se o Interuniversity Consortium Chemistry for the Environment (INCA), que buscava reunir acadêmicos envolvidos no estudo do ambiente e da sua relação com a Química (SERRÃO, 2010).
Em 1995, o governo americano instituiu o programa de premiação “The Presidential Green Chemistry Challenge” (PGCC), com o objetivo de premiar ideias inovadoras e que pudessem ser implantadas na indústria para reduzir a
quantidade de resíduos gerados em qualquer etapa da produção. O prêmio ainda existe e a premiação é dividida em 5 categorias diferentes, que são:
1) Acadêmico;
2) Pequenos negócios;
3) Rotas sintéticas alternativas;
4) Condições alternativas de reações;
5) Desenhos de produtos químicos mais seguros. (FARIAS;FÁVARO, 2011).
Em 1997, no mês de setembro, a International Union for Pure and Applied Chemistry (IUPAC), organizou sua primeira Conferência Internacional em Química Verde, em Veneza (SERRÃO, 2010).
Em julho de 2001, a IUPAC aprovou a criação do Subcomitê Interdivisional de Química Verde, realizando neste mesmo ano, em setembro, o Workshop sobre Educação em Química Verde (MEIRELLES, 2009; SERRÃO, 2010).
Ainda em 2001, ocorreu a Conferência CHEMRAWN XIV “ The Chemical Research Applied to World Needs” realizada na Universidade do Colorado (EUA), que teve como tema “a Busca por Produtos Benignos ao Ambiente”, este evento contou com a participação de mais de 140 trabalhos relacionados ao tema (LENARDÃO, 2003).
Em 2006, a IUPAC organizou a Segunda Conferência Internacional em Química Verde, na Índia (SERRÃO, 2010).
No Brasil foram realizados, recentemente, alguns cursos de verão relacionados à Química Verde. Em 2006 o Departamento de Química da Universidade Federal de São Carlos promoveu a 26ª Escola de Verão, que contou com a presença de pesquisadores do ramo tanto do próprio Brasil como do exterior. Em janeiro de 2007 o Instituto de Química da Universidade de São Paulo promoveu a primeira Escola de Verão em Química Verde (BAZITO, 2009).
No Brasil ainda pode ser destacada a publicação, em 2010, do livro “Química Verde no Brasil: 2010-2030” do Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, escrito por diversos pesquisadores de renomadas universidades brasileiras. No livro é possível verificar discussões a respeito do potencial
energético da biomassa brasileira e das tendências futuras dos estudos nesta área.
4.3. O DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL.
A Química Verde está estritamente relacionada com o Desenvolvimento Sustentável, que recebeu a seguinte definição por Lester Brown, do Worldwatch Institute (WWI): “Desenvolvimento Sustentável é progredir sem diminuir as perspectivas das gerações futuras” (MEIRELLES, 2009).
Não existe um instrumento de medida obrigatoriamente usado para se definir se um país apresenta um desenvolvimento considerado sustentável, mas alguns indicadores sociais indicam muito bem a situação de um país e sua posição rumo à sustentabilidade.
No Brasil, foram lançados pelo IBGE nos anos 2004, 2008, 2010 e 2012 os Indicadores de Desenvolvimento Sustentável, um estudo amplo e detalhado sobre várias vertentes relacionadas à população, indústria, economia e meio ambiente brasileiro (IBGE, 2012).
Os indicadores usados no estudo são três e se dividem em outros subindicadores: 1) Indicadores sociais a. População; b. Trabalho e rendimento; c. Saúde; d. Educação; e. Habitação; f. Segurança; 2) Indicadores Ambientais a. Atmosfera; b. Terra; c. Água doce;
d. Oceanos, mares e áreas costeiras; e. Biodiversidade;
f. Saneamento;
3) Indicadores Econômicos
a. Quadro econômico;
b. Padrões de produção e consumo;
A figura 1 mostra o conceito de Desenvolvimento Sustentável, destacando a inter-relação entre os três indicadores. Quando os três coexistem de forma harmônica há o conceito de Sustentabilidade.
Figura 1 - Os três indicadores de sustentabilidade.
Fonte: Adaptado de BAZITO (2009).
Os dados coletados e divulgados pelo IBGE estão disponíveis no seu site institucional em um amplo estudo com mais de 300 páginas. Devido à tamanha abrangência de conteúdo, os dados não foram expostos nesta monografia, mas, um estudo mais sucinto e direto sobre este tema, será descrito a seguir.
Em 2014, foi criado um projeto conjunto entre o Yale Center for Environmental Law and Policy (YCELP) e o Center for International Earth Science Information Network (CIESIN) da Universidade de Columbia com a colaboração do World Economic Forum e suporte das fundações Samuel Family e McCall Macbain. O projeto foi nomeado “The 2014 Environmental Performance Index
(EPI)”, neste projeto 178 países foram estudados e colocados em um ranking de sustentabilidade (Environmental Performance Index, 2014).
O projeto foi dividido em 9 categorias que são:
1) Mortalidade infantil (Health Impacts): Em crianças de 1 a 5 anos; 2) Qualidade do ar (Air Quality): Poluição do ar;
3) Água e Saneamento Básico (Water and Sanitation): População com acesso
à água e sistema de esgoto;
4) Recursos hídricos (Water Resources): Tratamento de água e efluentes antes
de mandá-los de volta ao meio ambiente.
5) Agricultura (Agriculture): Efeito da agricultura intensiva, regulação de
pesticidas e subsídios agrícolas;
6) Florestas (Forests): Medida da perda de área verde entre 2000 e 2012
usando observações via satélite;
7) Biodiversidade e Hábitat (Biodiversity and Habitat): Demarca a proteção
territorial e marítima, bem como espécies ameaçadas de extinção;
8) Clima e energia (Climate and Energy): Acesso à eletricidade e liberação de
dióxido de carbono na atmosfera;
9) Pesca (Fisheries): População de peixes na costa e população de peixes
futura.
Para cada categoria foi contada uma pontuação de 0 a 100, onde o valor 0 é considerado ruim e 100 excelente. O projeto ainda mostrou a tendência dos países em cada categoria nos 10 anos seguintes.
A situação não foi muito boa para o Brasil, no ranking geral onde é colocada a média das 9 categorias, o Brasil atingiu a posição 77 entre os 178 países, com uma média de pontos de 52,97.
Na Figura 2 é exposta a situação geral do Brasil no ranking de sustentabilidade, sua pontuação média, sua tendência de crescimento no ranking nos próximos 10 anos além de dados econômicos e demográficos atuais.
Na Figura 3 é exibida a situação do Brasil em cada categoria citada anteriormente e seu ranking correspondente. Em algumas das categorias, é mostrada a tendência para os próximos 10 anos.
Em uma breve observação dos dados brasileiros coletados no projeto citado, pode-se notar o alarmante dado de desmatamento na categoria florestas. O Brasil apresenta-se na posição 115 e com uma pontuação baixíssima, indicando que no período de observação citado anteriormente, o grau de desmatamento no território nacional foi consideravelmente alto e preocupante.
Figura 2 - Perfil brasileiro quanto ao desenvolvimento sustentável.
Figura 3 - Perfil brasileiro quanto ao desenvolvimento sustentável, por categorias.
Um destaque positivo para o Brasil é quanto à qualidade do ar. Apresentando-se na posição 29 e com uma pontuação muito alta, chega-se a uma conclusão de que a poluição do ar está em declínio no território nacional, salvas as exceções dos grandes centros que ainda contribuem consideravelmente para a poluição atmosférica e degradação da camada de ozônio. O estudo foi realizado em outros países também e pode ser visualizado no site da instituição Yale.
4.4. COMO DESENVOLVER A QUÍMICA VERDE.
De acordo com Bazito (2009) para desenvolver a Química Verde são necessários os esforços de 4 vertentes diferentes que, trabalhando juntas, propiciam o desenvolvimento e aplicação de processos Verdes e Sustentáveis, são elas (Figura 4):
Figura 4 - Os pilares no desenvolvimento da Química Verde.
Fonte: Adaptado de BAZITO (2009).
Para que haja o desenvolvimento da Química Verde há a necessidade do envolvimento e colaboração dos pilares que a sustentam, sendo eles:
4.4.1. Educação
Para que a Química Verde possa ser aplicada a nível industrial deve-se primeiro ensiná-la a nível acadêmico, ou seja, em escolas de graduação em Química, Engenharia Química e cursos relacionados a áreas ambientais.
Ainda segundo Bazito (2009), deve-se inicialmente realizar a divulgação e o ensino da química verde via:
a) Escolas de verão e minicursos;
b) Cursos regulares de graduação e pós-graduação; c) Iniciação do tema a nível fundamental e médio.
Após as etapas acima, deve-se aplicar os conceitos a nível mais profundo, por meio de pesquisas na área e inserção dos alunos egressos dos cursos na indústria.
No Instituto de Química da Universidade de São Paulo existe o curso de Bacharel em Química Ambiental, com uma grade curricular focada em tecnologias limpas e conhecimentos em meio ambiente e procedimentos considerados verdes.
4.4.2. Pesquisa
Para promover o ensino e ampliação do tema no Brasil, é necessário incentivo à pesquisa e evolução do corpo científico brasileiro na área de química verde e sustentável.
No Brasil, existem grupos de estudo e pesquisa com foco na sustentabilidade e educação, com foco na química verde.
Em 2002, na Universidade Federal de Santa Catarina, um grupo de professores de Química que atua nos ensinos básico e superior, no ensino de Ciências e Química e em programas de pós-graduação em Educação Científica e Tecnológica, articulara-se na investigação das questões ligadas à formação inicial e continuada de professores de Química e de temáticas vinculadas aos problemas ambientais e sua relação com a química. Os objetivos principais do grupo de professores era contribuir para a formação inicial dos professores das grandes áreas da Química, além de discutir os princípios da Química Verde e sua aplicação na formação e atuação de professores da área (GIEQ – Grupo de Investigação no Ensino da Química, 2002).
Em 2010, na Universidade Federal de São Carlos, constituiu-se o Grupo de Estudo e Pesquisa em Química Verde, Sustentabilidade e Educação (GPQV) cujo objetivo é investigar a produção, emprego e avaliação de materiais, técnicas e processos voltados à Química Verde. Neste sentido são realizados estudos e pesquisas interdisciplinares que incorporam conhecimentos científicos do campo da química à educação na perspectiva da Ciência, Tecnologia e Sociedade. O grupo foi agraciado com um prêmio Jabuti de Bronze, em 2010, na categoria “Ciências exatas, tecnologia e Informática” com a obra “Química Verde:
Fundamentos e Aplicações” (GPQV – Grupo de Estudo e Pesquisa em Química Verde, Sustentabilidade e Educação, 2010).
4.4.3. Indústria (Tecnologia).
Para aplicar a Química Verde na indústria há a necessidade de profissionais graduados em cursos com a temática verde (Por este motivo deve-se aplicar a Química Verde primeiramente no Ensino e Pesquisa) e o apoio de iniciativas privadas que promovem o desenvolvimento da indústria tanto economicamente quanto sustentavelmente.
No Brasil existem algumas iniciativas de grupos e redes empresariais que buscam desenvolver procedimentos sustentáveis e que causem o menor impacto possível ao meio ambiente e gerem o mínimo ou nenhum resíduo em qualquer etapa de certo procedimento. Algumas dessas iniciativas são:
a) Rede brasileira de produção mais limpa (PmaisL);
A rede PmaisL (Produção mais Limpa) foi concebida através da criação de núcleos em vários estados brasileiros, que atuam de forma interligada na prestação de serviços especializados em produção mais limpa às empresas e pessoas interessadas. Os membros da rede trabalham em conjunto na troca de experiências e no desenvolvimento de sistemas limpos, de forma a fortalecer as práticas de PmaisL e encorajar as empresas e pessoas a se tornarem mais competitivas, inovadoras e ambientalmente responsáveis (Guia da Produção mais limpa, 2012).
b) Programa atuação responsável.
A ABIQUIM lançou em 1992 o Programa Atuação Responsável como uma iniciativa destinada a apoiar a indústria química a ela associada, na gestão de suas atividades em saúde, segurança e meio ambiente (Figura 5). O programa acompanha todo o ciclo de vida dos produtos dentro da empresa, desde a criação até o descarte final. O programa está ligado à busca de melhoria contínua, englobando inclusive exigências normativas da International Organization for
Standardization (ISO) como a ISO 9001. O programa combina e expande os conceitos de qualidade, meio ambiente e relacionamento com o público (Programa atuação responsável, 2014).
Fonte: Guia da Produção mais Limpa / Programa Atuação Responsável.
4.5. OS 12 PRINCÍPIOS DA QUÍMICA VERDE.
Segundo Casullo e Soubirón (2012), a Química Verde, em geral, busca processos para obter os mesmos produtos que a química tradicional de modo que haja menos resíduos e também produção de substâncias não contaminantes, que substituam outros produtos prejudiciais, porém necessários para a sociedade.
A metodologia de aplicação da Química Verde se baseia na utilização de 12 princípios propostos por Paul Anastas e John Warner, os princípios visam à busca de processos industriais cada vez mais limpos, seguros e sustentáveis tanto para o meio ambiente quanto para a humanidade.
Os 12 princípios são:
4.5.1. Prevenção.
O primeiro princípio da Química Verde diz que é melhor prevenir a formação de resíduos do que tratá-los após a sua geração. A partir do momento em que se investe em tecnologias mais limpas, com menos solventes e menor número de etapas de produção, diminuí-se a necessidade de investimentos
pesados no tratamento de resíduos (RAMOS, 2009; MEIRELLES, 2009; ALENCAR, 2010).
Segundo o próprio Anastas et al. (1998) “Prevenir a formação de resíduos é melhor e menos dispendioso que a remediação ou tratamento a posteriori dos mesmos.”
Sheldon (2007), identifica uma ferramenta utilizada para verificar e avaliar a eficiência de um procedimento, a nível industrial, quanto ao teor de resíduo produzido neste procedimento. A ferramenta foi nomeada Fator E (Environmental Factor), que é definido como (Equação 1):
Quanto maior o valor de E, menos eficiente é o processo e maior o resíduo produzido na reação, desta forma o processo é considerado menos aceitável quanto à visão sustentável e ambiental.
A tabela 1 indica o Fator E de alguns segmentos industriais:
Tabela 1 - Fator E de segmentos industriais.
Segmento industrial Produção anual (toneladas) Fator E (Kg/Kg)
Refinarias de petróleo < 0,1
Química pesada < 1 – 5
Química fina 5 - 50
Indústria farmacêutica 25 - 100
4.5.2. Economia de átomos.
O segundo princípio da Química Verde diz que a Economia de Átomos trata da máxima incorporação de átomos dos materiais reagentes nos produtos das reações (RAMOS, 2009; ALENCAR, 2010). A reação considerada ideal é aquela na qual toda a massa de reagente está contida no produto final, ou seja, rendimento de 100% e sem formação de resíduos. A maioria dos produtos químicos não apresenta um rendimento final considerado ideal, mas as rotas verdes via economia de átomos, permitem um aumento percentual considerável no rendimento de uma reação química.
O rendimento de uma reação costuma ser menor do que 100% por diversas razões: reações secundárias, reações incompletas, impureza dos reagentes, etc. O fator de economia de átomos pode ser medido a partir da seguinte equação (Equação 2):
Algumas reações químicas apresentam um E.A maior do que outras, elas foram divididas em grupos que são:
A) Sínteses verdes: onde há economia de átomos (adição, rearranjos,
reações envolvendo catálise).
B) Sínteses marrons: onde há menor economia de átomos
(substituição, eliminação, reações estequiométricas gerais) (MEIRELLES, 2009).
4.5.3. Reações com compostos de menor toxicidade.
O terceiro princípio também é chamado de síntese segura. Segundo Prado (2003), sempre que possa ser praticável, a síntese de um produto químico deve ser desenvolvida por metodologias sintéticas que substituam compostos de alta toxicidade por compostos de menor toxicidade, fazendo com que sejam gerados
poucos ou nenhum resíduos que possam ser, de algum modo, prejudiciais à saúde humana e animal devido à toxicidade.
Warner et al. (2004) afirmam que incorporar materiais menos perigosos em sínteses orgânicas pode ser considerado como o coração da Química Verde.
4.5.4. Desenvolvimento de produtos seguros.
O quarto princípio é considerado uma extensão do terceiro, segundo vários autores. Este princípio determina o desenvolvimento de produtos a partir de reagentes de baixa toxicidade, a consequência disso será a geração de produtos também de baixa toxicidade, como os reagentes da síntese. (PRADO, 2003; CASULLO; SOUBIRÓN, 2012).
4.5.5. Reduzir o uso de substâncias auxiliares.
O quinto princípio aponta que, em processos químicos, deve-se usar a menor quantidade possível de substâncias auxiliares, os solventes em especial. Em caso de necessidade de uso, que sejam menos tóxicos possíveis. Neste sentido, busca-se que algum dos próprios reagentes do processo seja um solvente. Quanto ao uso de solventes inócuos, a química verde tem levado adiante diversas investigações sobre este tema, incluindo a importância do uso de solventes no estado supercrítico e o uso de líquidos iônicos. (CASULLO; SOUBIRÓN, 2012).
4.5.6. Eficiência energética.
O sexto princípio dita que uma reação ideal, em termos de eficiência energética, é aquela que ocorre sob pressão e temperatura ambientes, ou seja, diminuir a energia gasta durante um procedimento químico pode representar um ganho econômico consideravelmente bom para a empresa além da contribuição para o meio ambiente (CORRÊA; ZUIN, 2009).
Este princípio visa diminuir o uso de energia provida de fontes não renováveis na indústria e a substituição das mesmas por fontes alternativas e renováveis como micro-ondas e ultrassom (SANSEVERINO, 2001).
Alguns autores citam o potencial brasileiro no agronegócio, sobretudo em procedimentos com utilização de biomassa na geração de energia. O uso da biomassa pode ser muito útil em substituição de combustíveis fosseis em procedimentos de queima em caldeira, considera-se o exemplo clássico de queima do bagaço da cana de açúcar nas indústrias sucroalcooleiras (Figura 6).
Figura 6 - Geração de energia a partir de biomassa.
Fonte: ENERGIA LIMPA (2013).
4.5.7. Utilizar matérias primas renováveis.
O sétimo princípio prega a utilização de matérias primas renováveis na indústria. Substâncias de origem vegetal e outras fontes biológicas renováveis ou recicláveis devem ser utilizadas, sempre que possível. Um exemplo bastante expressivo e atual no cenário nacional é o uso de etanol derivado da cana de açúcar ou até mesmo do biodiesel produzido a partir de derivados vegetais, podendo ser considerados casos de ganho ambiental uma vez que são combustíveis derivados de fontes renováveis e que podem vir a substituir os combustíveis fósseis (LENARDÃO, 2003).
4.5.8. Evitar formação de derivados.
Em muitos casos, especialmente na Química orgânica, os processos para obter um produto apresentam diversas etapas. Em algumas etapas protege-se um grupo funcional para que ele não intervenha em uma reação enquanto outro grupo funcional da mesma molécula está reagindo. Quanto mais etapas um processo tiver, menor será sua economia atômica. Todas as substâncias auxiliares que forem utilizadas em cada uma das etapas serão consideradas desperdício. Incluindo que cada etapa extra implica em novos procedimentos com maiores gastos energéticos e maiores riscos aos operários. A Química Verde aponta para a diminuição de todos estes aspectos citados (CASULLO; SOUBIRÓN, 2012).
A questão no oitavo princípio é evitar o uso de qualquer tipo de grupo bloqueador, protetor ou modificador em uma reação química com intuito de evitar a formação de derivados que aumentam o número de etapas do procedimento, tornando-o mais caro e trabalhoso de ser processado, além da possibilidade de geração de resíduos no final.
4.5.9. Potencializar a catálise.
Em diversas ocasiões, para tornar viável uma reação muito lenta, utiliza-se como recurso, o aumento da concentração de um dos reagentes. Isto implica em um gasto maior de matérias primas além de uma geração maior de desperdícios procedentes do reagente em excesso que não foi consumido. O nono princípio surge para acabar com este problema, a aplicação dele implica na utilização de catalisadores na reação química, aumentando a velocidade da mesma. Os catalisadores são altamente seletivos e podem ser reutilizados diversas vezes, pois não são consumidos nas reações (CASULLO; SOUBIRÓN, 2012).
4.5.10. Desenvolvimento de Produtos Biodegradáveis.
O décimo princípio trata do desenvolvimento de produtos químicos que deverão ser produzidos com o objetivo de serem altamente degradáveis em produtos inócuos quando descartados após o cumprimento de suas funções (PRADO, 2003). O objetivo deste princípio é atentar a indústria quanto à produção de bens de consumo biodegradáveis seguros, atóxicos e eficientes. Um exemplo clássico que vem sendo amplamente divulgado no Brasil são as sacolas de compra biodegradáveis, produzidas com aditivantes que, em determinadas condições de temperatura e umidade permitam a decomposição do polímero.
4.5.11. Análise em tempo real para a prevenção da poluição.
Este princípio prega que as análises de produção de determinado produto devem ser realizadas em tempo real, para que qualquer desvio da ordem natural possa ser corrigido a tempo e evitar qualquer dano ou resíduo ao final do processo. Baseia-se, portanto, na ideia de que o processo não é ideal e há a possibilidade de geração de produtos e derivados tóxicos, daí vem uma das ideias e motes principais da Química Verde, a Prevenção.
4.5.12. Química segura para a prevenção de acidentes.
Este pode ser considerado o princípio de fechamento da tabela de princípios da Química Verde uma vez que seu cumprimento só pode ocorrer se os princípios anteriores foram realizados, ou seja, se não há reagentes tóxicos, não há solventes voláteis, se o processo foi desenvolvido com alta eficiência energética, se utilizou catalisadores e, primordialmente, há um controle em tempo real do processo. Pode-se, portanto, concluir que o risco de acidentes no procedimento químico é pequeno ou nulo e está em conformidade com os princípios da Química Verde e houve uma completa e conforme prevenção de qualquer tipo de acidente.
4.6. ANÁLISE E APLICAÇÃO DOS 12 PRINCÍPIOS DA QUÍMICA VERDE EM PROCESSOS INDUSTRIAIS.
4.6.1. Prevenção.
Como exposto no tópico anterior, um dos focos principais da Química Verde é a prevenção da formação de dejetos durante um processo, para evitar o tratamento dos mesmos ao fim ou durante o processo químico.
Em uma aferição, realizada pelo GCI Pharmaceutical Roundtable, revelou que os solventes são os maiores contribuintes no valor do fator E nos processos farmacêuticos. De fato, foi estimado pelos pesquisadores da GlaxoSmithKline que cerca de 85% do total da massa de produtos químicos envolvidos em processos farmacêuticos provem de solventes. Consequentemente, as indústrias farmacêuticas estão focadas no esforço de minimizar o uso de solventes e substituir solventes nocivos por outros mais amigáveis ao meio ambiente (SHELDON, 2007).
Um exemplo ilustrativo da redução do uso de solventes e, consequentemente, redução da quantidade de resíduos finais para tratamento vem da produção da Sertralina (Cloridrato de Sertralina), medicamento utilizado no tratamento de depressão, fobias sociais e alguns outros tipos de transtornos. Na imagem da figura 7 são exibidas as duas rotas de produção da Sertralina, a rota Tradicional e a rota Verde:
Figura 7 - Rotas tradicional e verde na síntese da Sertralina.
Fonte: BAZITO (2009).
Na rota Tradicional de produção da Sertralina são utilizados muitos solventes como tolueno, hexano, tetrahidrofurano e alguns compostos clorados que geram uma quantidade de resíduo muito grande ao fim do processo.
Na rota Verde proposta pela Pfizer (a qual foi agraciada com um prêmio no ano de 2002) utiliza apenas o etanol como solvente, evitando assim a recuperação de quatro solventes conforme proposto pela rota tradicional. Como resultado dessa nova rota, verificou-se a redução do uso de solventes de 250 Kg para 25 Kg por kilograma de Sertralina produzida, uma redução de 90% de solventes na produção deste medicamento (SHELDON, 2007).
A rota proposta pela Pfizer concorda integralmente com o primeiro princípio da Química Verde onde se deve prevenir a formação de resíduos, além de contribuir para a diminuição de uso de substâncias auxiliares ditada pelo quinto princípio da Química Verde.
4.6.2. Economia atômica.
Um dos grandes objetivos da Química Verde é a Economia Atômica, ou seja, transferir o máximo possível dos átomos dos reagentes para o produto principal.
Alguns exemplos de compostos com economia atômica são exibidos a seguir.
4.6.2.1. Obtenção industrial do Ibuprofeno.
Um dos primeiros campos da Química Verde a aplicar o princípio de economia atômica e redução da quantidade de resíduos foi na obtenção industrial do Ibuprofeno, um analgésico de amplo uso produzido entre 1960 e 1991 em um processo de 6 etapas, gerando resíduos em cada uma delas de tal maneira que a economia atômica do processo era cerca de 40%. Em 1991 a BHC Company desenvolveu um processo em três etapas (Figura 8) que permitiu uma economia atômica de cerca de 99% (CASULO, SOUBIRÓN, 2012; BAZITO, 2009).
Figura 8 - Rotas tradicional e verde de síntese do Ibuprofeno.
Fonte: BAZITO (2009).
4.6.2.2. Obtenção de anidrido maléico.
A obtenção do anidrido maléico, importante reagente na produção de aditivos e copolímeros, era por meio da oxidação do benzeno a 400ºC e na presença do catalisador pentóxido de vanádio. Mas, observou-se que nas mesmas condições reacionais utilizadas com o benzeno poderia utilizar-se o buteno como reagente de partida para produção do anidrido. Notou-se duas vantagens: aumento da eficiência atômica e menor uso de oxigênio para oxidação do reagente (LANCASTER, 2002). As rotas e suas devidas eficiências estão exibidas na Figura 9.
Figura 9 - Rotas de obtenção do Anidrido Maléico.
Fonte: LANCASTER (2002).
A maior incorporação atômica resulta em menor quantidade de subprodutos e resíduos em um processo químico. A busca por processos com maior eficiência atômica, menor número de etapas e geração de resíduos zero ou mínimos é o grande objetivo das grandes indústrias químicas no cenário mundial.
4.6.3. Reações com compostos de menor toxicidade.
Nos Procedimentos Verdes, busca-se sempre a utilização de reagentes de baixa toxicidade para gerar produtos também atóxicos ou de baixa toxicidade.
Um dos exemplos mais marcantes de produto que teve seu índice de toxicidade reduzida, com o avanço dos procedimentos verdes, foram os Policarbonatos, os quais são polímeros versáteis com alta transparência, resistência ao impacto e ao calor com diversas aplicações em peças de automóveis, aparelhos eletrodomésticos e também discos ópticos (FERREIRA; ROCHA; SILVA; 2013).
Tradicionalmente, o policarbonato era produzido a partir da reação de bisfenol A e fosgênio, o grande problema desse processo é o uso do fosgênio,
gás tóxico e corrosivo, muito prejudicial à saúde se inalado, tanto que foi utilizado durante a Primeira Guerra Mundial como arma química. No processo dito verde (Figura 10) substituiu-se o fosgênio por difenil carbonato, composto que ao reagir com o bisfenol A gera o próprio policarbonato e fenol, este último é reciclado para produzir bisfenol A que é reintroduzido no sistema reacional (LANCASTER, 2002).
Figura 10 - Rotas tradicional e verde para síntese de Policarbonato.
Fonte: LANCASTER (2002).
4.6.4. Desenvolvimento de produtos seguros.
A Química Verde dita que os produtos químicos produzidos devem ser seguros para quem os manipula e para o meio em que os mesmos são aplicados. Neste princípio encaixam-se as classes de inseticidas usados em lavouras e plantios de bens de consumo destinado ao Homem.
Tradicionalmente no controle de pragas utilizava-se o Diclorodifeniltricloroetano (DDT) composto que, após certo período de aplicação, causou danos a peixes, aves e seres humanos, devido à sua alta toxicidade e alto
potencial carcinogênico. O uso do DDT foi banido por diversos países na década de 70 e tem seu uso controlado pela Convenção de Estocolmo (CASULLO, SOUBIRÓN, 2012). No Brasil, como sempre, as coisas são realizadas de forma mais tardia e o seu uso, fabricação, estoque e exportação foram proibidos em 14 de maio de 2009 pela Lei nº 11.936.
A partir da proibição do uso do DDT tem se buscado o uso e fabricação de pesticidas igualmente efetivos, porém menos tóxicos. Um desses é o Spinosad, inseticida obtido a partir de uma bactéria, a Saccharopolyspora spinosa.
O inseticida proveniente desta bactéria é chamado de Spinosad devido à junção de parte do nome da bactéria com dois grupos metabólitos A e D (Figura 11), os estudos sobre este inseticida começaram na década de 80 e foi classificado como produto de baixo risco à saúde apenas em 1995 pela EPA, menos de dois anos após isso foram lançados dois produtos com base no Spinosad (Technical Bulletin – DOW Agrosciences, 2001).
Figura 11 - Estruturas do Spinosad e DDT.
4.6.5. Reduzir o uso de substâncias auxiliares.
Os solventes orgânicos têm um papel chave na produção de muitos produtos úteis. São usados na indústria farmacêutica na purificação de determinados produtos e na indústria química em diversas operações unitárias como extração e recristalização. Muitas destas aplicações utilizam componentes orgânicos voláteis como solventes por causa da sua facilidade de remoção do sistema via evaporação. A liberação destes compostos voláteis na atmosfera contribue para a formação do smog (Espécie de nevoeiro contaminado por fumaças. O termo resulta da união das palavras inglesas “smoke=fumaça” e “fog=nevoeiro”) e outros tipos de poluição do ar (LANCASTER, 2002).
A EPA publicou uma lista detalhada do número de efeitos adversos à saúde da presença desses compostos voláteis no meio, que são: Irritação dos olhos, nariz e garganta, dores de cabeça, reações alérgicas, náuseas, fadiga, etc.; Por causa desses efeitos adversos a legislação e as empresas estão buscando reduzir o uso de solventes ou realizar a substituição desses solventes por outros de menor toxicidade.
Alguns dos novos métodos e aplicações utilizados serão discutidos a seguir.
4.6.5.1. Sistemas livres de solventes;
A maioria dos procedimentos químicos de alta massa, ou seja, aqueles produzidos em larga escala para fins de exportação ou como matéria-prima nacional para outros produtos, como o benzeno (934.215,00 ton/ano em 2006 / 950.998,00 ton/ano em 2007) são realizados livres de solvente ou ao menos um dos reagentes age como solvente (ARCURI, 2011).
Em geral, muitas reações com reagente miscíveis ou parcialmente miscíveis entre si são realizadas livre de solventes. O grande desafio dos pesquisadores é realizar sínteses de químicos finos no estado sólido sem o uso de solventes.
Um exemplo de processo químico livre de solvente é a síntese de uma piridina.
A reação sem solventes ocorre com a mistura de Benzaldeído e Acetil Piridina (ambos em estado líquido) e hidróxido de sódio sólido após passar por um procedimento de moagem (Figura 12).
A vantagem do procedimento é a não necessidade de purificação por recristalização com solvente orgânico na etapa final do processo, há apenas tratamento com Acetato de amônia em Ácido acético (LANCASTER, 2002).
Figura 12 - Síntese de uma Piridina livre de solventes.
Fonte: LANCASTER (2002).
O potencial para sínteses livres de solvente é relativamente grande, com exemplos muito conhecidos como transesterificações, condensações e rearranjos (LANCASTER, 2002).
4.6.5.2. Sistemas com fluído supercrítico.
Um fluído supercrítico pode ser definido como um composto que está acima da temperatura e pressão críticas, conforme Figura 13. Nestas condições, a substância apresenta propriedades intermediárias entre um gás e um líquido.
Neste estado a substância apresenta maior capacidade como solvente. Solventes críticos muito populares são o dióxido de carbono e a água (LANCASTER, 2002; CASULLO, SOUBIRÓN, 2012; PRADO, 2003).
Figura 13 - Diagrama de fases do fluído supercrítico.
Fonte: LANCASTER (2002).
O dióxido de carbono é uma das substâncias mais populares utilizada como fluído supercrítico em processos de extração de um solvente miscível em outro. De fato, o dióxido de carbono apresenta mais vantagens do que desvantagens quanto a sua aplicação em processos químicos, conforme a Tabela 2:
Tabela 2 - Vantagens e Desvantagens do CO2 como solvente supercrítico.
Vantagens Desvantagens
Atóxico Necessidade de equipamento para altas pressões Facilmente removível Gasto de capital intensivo em equipamentos Potencialmente reciclável Solvente relativamente pobre
Não inflamável Reativo com nucleófilos fortes
Fraca Solvatação Altas taxas de difusão Facilidade de controle de
suas propriedades Bom transferidor de massa
Fácil disponibilidade
Fonte: LANCASTER (2002).
Uma das aplicações do dióxido de carbono supercrítico é no processo de descafeinação do café. Os grãos de café e o CO2 são alimentados em
contracorrente, a cafeína é extraída pelo dióxido de carbono, há a lavagem com água dessa mistura e o dióxido de carbono, livre de cafeína, é reciclado para a coluna de extração conforme fluxograma da figura 14 (LANCASTER, 2002).
Figura 14 - Extração da cafeína com dióxido de carbono supercrítico.
4.6.5.3. Líquidos iônicos.
Os líquidos iônicos (Figura 15) são sais orgânicos líquidos à temperatura e pressão ambiente que, por serem sais, tem baixa pressão de vapor. Normalmente são sais formados por um cátion orgânico e um ânion poliatômico.
Figura 15 - Cátions e Ânions em líquidos iônicos.
Fonte: CASULLO, SOUBIRÓN (2012).
Os líquidos iônicos comparados a outros solventes têm as seguintes vantagens: baixa pressão de vapor, quimicamente estáveis em uma alta faixa de temperaturas, baixo ponto de fusão, maior densidade do que a água, além de maior viscosidade, estáveis em processos eletroquímicos e bons condutores elétricos.
4.6.6. Eficiência energética.
Nos processos ditos verdes, os pesquisadores e indústrias buscam a utilização de novas metodologias energéticas em sínteses orgânicas, nessas novas metodologias procura-se utilizar energias mais econômicas, menos poluentes, que permitam maior rendimento de uma operação e um menor gasto de tempo durante a operação.
Um equipamento que vem sendo muito usado em sínteses orgânicas é o micro-ondas, os primeiros relatos de reações orgânicas conduzidas em forno de micro-ondas surgiram em 1986 em dois trabalhos independentes de Gedye e Guigere (SANSEVERINO, 2001). Observou-se uma redução no tempo da reação, embora não tenha havido um controle de pressão (Figura 16).
As principais vantagens da utilização da energia de micro-ondas em substituição da energia convencional (chapa de aquecimento, bico de bunsen, manta elétrica, etc.) em uma reação química são:
a) As taxas de aquecimento em uma reação onde uma ou mais substância
presente absorva bem micro-ondas são muito maiores que no aquecimento convencional;
b) O reator ou recipiente de reação pode ser transparente às micro-ondas pois a
energia só é absorvida pelos reagentes e solventes;
c) A energia é transferida diretamente para a amostra, sem haver contato físico
com a fonte de aquecimento;
d) Há a possibilidade de maiores rendimentos, seletividade e menor
Figura 16 - Primeiras reações orgânicas conduzidas em forno micro-ondas doméstico.
Fonte: SANSEVERINO (2001).
A associação da energia alternativa das micro-ondas com uma reação livre de solvente, proporcionou um leque grande de vantagens reacionais que são: menor tempo de reação, resíduo mínimo ou zero, alto rendimento e menor formação de subprodutos. Dois exemplos de síntese orgânica que mostram estas vantagens são:
a) Rearranjo do Pinacol: É uma reação bem conhecida na Orgânica, foi
conduzida sem uso de solvente e em forno micro-ondas de cozinha, utilizando uma argila com íons de cobre(II) suportados (Montmorilonita). Houve na reação
com micro-ondas maior rendimento em menor tempo de reação, conforme Figura 17a.
b) Alquilação Aniônica: Reação conduzida em Alumina que apresentou as
mesmas vantagens que o rearranjo de Pinacol, representado na Figura 17b.
Figura 17 - Reação livre de solventes com aquecimento em micro-ondas a) Rearranjo de Pinacol b) Alquilação aniônica.
Fonte: SANSEVERINO (2001).
É possível notar que a utilização de micro-ondas para algumas reações pode ser muito mais eficiente do que o uso de fontes de energia convencionais, a prova disso é o alto rendimento reacional em um tempo bem menor. Associar o uso de micro-ondas em reação livre de solventes é ainda uma das grandes vantagens em procedimentos orgânicos, pois colabora diretamente com as premissas da Química Verde.
4.6.7. Utilizar matérias primas renováveis.
O debate sobre o uso de combustíveis fósseis está em alta na atualidade, devido a todos os problemas socioambientais que vêm acontecendo em consequência de sua queima em processos industriais ou por veículos automotores. Neste contexto, o uso de biomassa renovável surge como alternativa para um futuro próximo.
A biomassa é uma fonte de energia renovável, no Brasil a oferta de biomassa na matriz energética é muito alta se comparada ao cenário mundial, conforme Figura 18, do Ministério de Minas e Energia (MME, 2013).
Figura 18 - Matriz energética brasileira em 2012.
Fonte: MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA (2013).
Uma biomassa de destaque é o dissacarídeo Sacarose (Glicose + D-Frutose), o seu uso em processos em escala comercial é amplo, tanto por rotas químicas ou bioquímicas, um de seus derivados mais conhecidos é o etanol mostrado na Figura 19, junto a outros derivados.
Figura 19 - D-Sacarose e seu uso na produção de intermediários sintéticos.
Fonte: FERREIRA; ROCHA; SILVA (2013).
Um exemplo de processo químico com fonte renovável é a síntese de Ácido Adípico via D-glicose usando E. Coli. Na Figura 20 são mostradas as rotas tradicional via benzeno e a rota verde com D-glicose.
Figura 20 - Rotas tradicional e verde da síntese do Ácido adípico.
Fonte: BAZITO (2009).
O uso de biomassa renovável também gera resíduos, mas estes são reaproveitados para fins alimentares (insumos para rações animais) ou energéticos ( queima em caldeira de geração de vapor).
4.6.8. Evitar formação de derivados.
Em muitos procedimentos químicos, para se obter determinado produto, deve-se passar por várias etapas reacionais com catalisadores, solventes e reagentes. A Química Verde dita que se devem realizar reações químicas com gasto mínimo de reagentes, etapas, solventes e que, principalmente, gere-se o mínimo possível de resíduos ao fim do procedimento.
Um exemplo de procedimento que respeita este princípio da Química Verde é a síntese de Ibuprofeno, conforme Figura 8, apresentada anteriormente. Em ambos os procedimentos (tradicional e verde), na primeira reação produz-se um fenilcetona por reação entre isobutilbenzeno e anidrido acético, catalisada por cloreto de alumínio. Na rota tradicional há cinco etapas consecutivas à da fenilcetona até a chegada ao produto final, na rota verde são realizadas apenas duas etapas. Este menor número de etapas permite menor gasto de energia e menor quantidade de resíduos ao final do processo (CASULLO, SOUBIRÓN, 2012).
4.6.9. Potencializar a catálise.
A catálise é uma das ferramentas químicas mais utilizadas em procedimentos químicos na indústria, é estimado que cerca de 90% dos processos químicos utilizem, ao menos em uma etapa de sua produção, um catalisador. Os catalisadores agem diminuindo a energia de ativação necessária para realizar uma reação, tornando-a mais rápida e com menor gasto de energia (LANCASTER, 2012).
Um procedimento catalítico considerado verde é visto na produção de Roundop, um herbicida produzido pela Monsanto nos Estados Unidos. Um intermediário na síntese desse produto é o Iminoacetato di-sódico (DSIDA). O processo tradicional necessita do uso de amônia, formaldeído e cianeto de hidrogênio. Cianeto de hidrogênio é extremamente tóxico e sua manipulação deve ser realizada de forma especial para minimizar o risco aos trabalhadores que o manipulam. Amônia e Formaldeído são frequentemente associados a problemas de saúde em humanos e problemas ambientais. Os resíduos do produto contem estes compostos e devem ser tratados antes de serem descartados.
O novo processo (Figura 21) realizado pela Monsanto faz o uso de catalisador de cobre, que é usado para reduzir a dietilenoamina em DSIDA, intermediário do Roundop. O processo elimina totalmente o uso de amônia, formaldeído e cianeto de hidrogênio, não gera resíduos e não necessita de muitas etapas de purificação (DOBLE; KRUTHIVENTI, 2007).
Fonte: DOBLE, KRUTHIVENTI (2007). Figura 21 - Síntese de DSIDA.
Outro método catalítico de alto potencial que vem sendo utilizado em métodos mais limpos é a Fotocatálise. Neste processo há baixa geração de subprodutos e as reações fotoinduzidas em solvente aquoso têm se mostrado importante ferramenta em potencial para transformações seletivas. Como exemplo de fotocatálise, pode-se citar a descarboxilação do bis-potássio de n-ftalimida de ácido glutâmico em água, com foto irradiação a 380 nm, conforme Figura 22 (PRADO, 2003).
Figura 22 - Descarboxilação de um sal via fotocatálise a 380 nm.
Fonte: PRADO (2003).
Por último, há também o uso da atividade microbiana em processos catalíticos. Processos como oxidação ou hidrogenação, catalisadas por micro-organismos têm sido aplicadas com sucesso em processos químicos com alto grau de seletividade. A 3-cianopiridina (Figura 23) pode ser convertida em vitamina B3 pela Rhodococus rhodochrous e pode ser hidrogenada via ação catalítica da Agrobactreium sp (PRADO, 2003).
Figura 23 - Biocatálise da 3-cianopiridina.
Fonte: PRADO (2003).
4.6.10. Desenvolvimento de produtos biodegradáveis.
A biodegradabilidade de um produto na natureza é uma das grandes metas e objetivos dos procedimentos ditos verdes. Hoje em dia, muitos produtos apresentam decomposição acelerada quando descartados após seu uso. Na indústria química muito se fala dos detergentes, produtos utilizados para limpeza de louças. Os detergentes atuais são biodegradáveis em sua maioria, mas, há um tempo, não eram. O que define se um detergente é biodegradável ou não é sua estrutura química na cadeia de hidrocarbonetos.
Detergentes biodegradáveis possuem cadeia linear de hidrocarbonetos, sem ramificações em sua estrutura. Os não biodegradáveis apresentam ramificações conforme Figura 24.
Micro-organismos presentes nos rios, lagos e mares onde são despejados os resíduos de detergente produzem enzimas capazes de degradar as cadeias lineares de hidrocarbonetos presentes no detergente. Mas, a atuação destas enzimas é prejudicada quando as cadeias carbônicas apresentam ramificações assim, há acumulo deste detergente na água, formando grandes porções de espuma que prejudicam o meio aquático no qual está presente (ALVES, 2010).
Figura 24 - Estrutura química de detergentes.
Fonte: ALVES (2010).
4.6.11. Análise em tempo real para prevenção da poluição.
As empresas do século 21 preocupam-se muito com o impacto que seus procedimentos podem causar ao meio ambiente e à sociedade. Hoje em dia há uma busca por procedimentos limpos, descarte correto de resíduos, controle de resíduos e manuseio adequado de materiais perigosos. Os impactos ambientais que vêm sendo gerados nos últimos anos, devido ao desenvolvimento industrial e econômico do mundo, constituiram em um grande problema para as autoridades e organizações ambientais, tanto que na década de 90 a ISO viu a necessidade de desenvolver normas que falassem quanto a questão ambiental, eis que foi criada a ISO 14000, uma série de normas que estabelecem as diretrizes sobre a Gestão Ambiental em empresas.
O objetivo desta norma é diminuir o impacto provocado pelas empresas no meio ambiente e esta norma é subdivida em algumas séries, todas com o intuito de promover um caminho ideal para as empresas cumprirem as normas e adquirir o selo de qualidade.
Empresas com o selo de qualidade desta norma podem ser consideradas empresas que mantém uma análise crítica, diária e em tempo real dos processos químicos que ocorrem em sua estrutura. Isto as torna ambientalmente responsáveis e verdes no ponto de vista sustentável.
4.6.12. Química segura para a prevenção de acidentes.
O tópico final da discussão dos princípios da química verde pode ser considerado cumprido desde que os seus princípios anteriores tenham sido cumpridos, se:
1) Reduziu-se a poluição;
2) Economizou-se reagentes num procedimento; 3) Reduziu-se o uso de produtos tóxicos;
4) Desenvolveu-se produtos seguros;
5) Reduziu-se o uso de substâncias auxiliares em procedimentos; 6) Otimizou o uso de energia;
7) Utilizou matérias primas renováveis;
8) Produziu-se com formação mínima de sub produtos; 9) Aproveitou-se de métodos catalíticos;
10) Produziu produtos biodegradáveis;
11) Controlou em tempo real a poluição e resíduos.
Neste caso, o procedimento pode ser considerado seguro tanto para o meio ambiente quanto para a sociedade. Nesta ótica a empresa atingiu um patamar elevado quando à produção sustentável e limpa.
