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Energia

Resíduos úteis

Esgotos e efluentes industriais fornecem matéria-prima para produção de hidrogênio e eletricidade

MIGUEL BOYAYANEsgoto e águas residuárias industriais: biomassa com valor agregadoMIGUEL BOYAYAN

Não produzir qualquer tipo de resíduo ou poluente é o principal atributo em favor do hidrogênio como combustível para gerar energia elétrica. Ele faz funcionar as células a combustível, equipamentos que extraem os elétrons desse gás para produzir eletricidade sem danos ambientais. O problema é que o hidrogênio (H2) não existe, de forma isolada, na natureza, ele está sempre ligado a outras substâncias como a água (H2O). Uma das alternativas, embalada por uma preocupação ambiental, é o reúso da água com produção de energia renovável, utilizando esgotos e efluentes industriais como demonstrou um grupo de pesquisadores da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da Universidade de São Paulo (USP). Eles ganharam o 5º Prêmio Mercosul de Ciência e Tecnologia, edição 2008, na categoria Integração. A premiação pela pesquisa “Produção de bio-hidrogênio a partir de águas residuárias para ser utilizado como fonte alternativa de energia” teve também a autoria dos pesquisadores da Universidade de La Republica, do Uruguai. O tema do prêmio foi Biocombustível e teve apoio, entre outras entidades, da Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência e a Cultura (Unesco).

Um dos coordenadores do trabalho é o professor Marcelo Zaiat, do Departamento de Hidraúlica e Saneamento da EESC. Ele diz que o projeto valoriza os esgotos e as águas residuárias industriais, considerados também um tipo de biomassa, ao transformar rejeitos em meios de produção de energia. Esse é um processo trabalhoso, mas se mostra barato e ambientalmente favorável, com característica de processo sustentável, em relação ao processo mais comum para extrair hidrogênio da água, chamado de eletrólise, não indicado de forma ampla porque gasta eletricidade para gerar mais eletricidade, sem ganhos significativos. Somente usinas hidrelétricas, durante a noite, quando a demanda cai, ou em épocas do ano com muita chuva, têm condições ideais de fazer esse processo com baixo custo. O avanço tecnológico das células a combustível na década de 1990, atual-mente produzidas e comercializadas por poucas empresas, ainda de forma experimental, como geradores de energia elétrica estacionários e utilizadas em protótipos automotivos, propiciou a corrida pela procura de meios para obter esse combustível.

O grupo de Zaiat desenvolveu um método para produzir hidrogênio em um reator de fluxo contínuo, constantemente alimentado com rejeitos que seriam, muitas vezes, descartados sem tratamento em rios e lagoas. No sistema, bactérias anaeróbicas do gênero Clostridium, que não precisam de oxigênio para viver, aderem a partículas de polietileno dentro do reator. Conforme parâmetros de tempo de permanência da matéria-prima no sistema, acidez e outros medidas, ocorre a fermentação do material orgânico presente nas águas e a conseqüente liberação em borbulhas de hidrogênio (H2), dióxido de carbono, o CO2, e ácido sulfídrico (H2S). Na cabeça do reator, fechado de forma hermética, é possível instalar um sistema que capta os gases para posterior separação.

A próxima meta é a produção do hidrogênio no reator em escala piloto, porque até o momento apenas reatores em escala de laboratório foram operados. Isso pode ser viabilizado em 2010, em uma estação piloto prevista para ser instalada no campus 2 da universidade em São Carlos e alimentada com esgoto sanitário em uma sala ao lado da rede de esgoto do prédio da engenharia ambiental. O gás obtido poderá, por exemplo, ser utilizado pelo grupo do professor Ernesto Gonzalez, do Instituto de Química de São Carlos (IQSC) da USP, que estuda sistemas para células a combustível.

Sem desperdício
O primeiro estudo do grupo da EESC foi realizado com água sintética produzida em laboratório com sacarose adicionada para caracterização do sistema. Zaiat também já testou o sistema com efluentes de uma fábrica de refrigerantes e com esgoto doméstico. “Na água residuária de fábrica de refrigerantes existe muito açúcar, o que facilita a produção de hidrogênio. No caso do esgoto o potencial não é muito alto, mas o seu uso se justifica dentro de um aspecto de sustentabilidade porque é uma energia aproveitável que deixará de ser desperdiçada”, diz. Ele começa a pesquisar também a extração de hidrogênio da vinhaça, um resíduo da indústria sucroalcooleira. “Existe um bom potencial ali.”

A quantidade de hidrogênio extraí-do foi mais bem quantificada no experimento com a sacarose da indústria de refrigerantes. Cada grama de açúcar rendeu 47 miligramas (ou 0,047 grama) de gás. Zaiat diz que essa quantidade é favorável ao processo porque os carros, por exemplo, gastariam muito pouco hidrogênio para se locomover. Em dados extraídos da literatura científica, os números variam de 1 a 10 gramas de hidrogênio por quilômetro rodado no caso dos automóveis movidos a células a combustível.

Além do hidrogênio purificado e recuperado no reator anaeróbio, outros estudos do mesmo grupo aproveitam os outros gases como o CO2 e o ácido sulfídrico. No caso do H2S, que é um problema para as células a combustível, ele pode ser removido da corrente gasosa por meio de reatores contendo bactérias que consomem esse material. Esse trabalho é conduzido por um grupo do Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), coordenado pelo professor Edson Luiz Silva. No caso do metano e do CO2, eles podem servir em processos físico-químicos para gerar mais hidrogênio e o gás de síntese, produto que pode ser transformado em gasolina e metanol, por exemplo. “Para transformar os gases em combustíveis líquidos é preciso adicionar catalisadores (substâncias que promovem a reação química) específicos”, diz a professora Elisabete Moreira Assaf, do IQSC, que coordena as pesquisas com os gases restantes da produção de hidrogênio a partir de efluentes. Ela também integra a Rede de Produção de Hidrogênio do Programa Nacional de Células a Combustível do Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT).

Zaiat já contabilizou 220 artigos científicos sobre o assunto desde 1996, quando foi publicado o primeiro texto, em que a equipe coordenada pelo professor Yoshiyuki Ueno, do Instituto de Pesquisas Técnicas Kajima, no Japão, demonstrou em laboratório ser possível extrair hidrogênio de resíduos de água industrial por bactérias anaeróbias. “Depois os experimentos vieram crescendo ano a ano”, diz Zaiat. Em 2000 foram cinco, em 2001 dez e neste ano já são 220. “A maioria dos trabalhos ainda é na escala laboratorial, mas as perspectivas futuras são muito boas porque os processos gastam o mínimo de energia, com baixa potência. Existem até sistemas em que as águas entram no reator por meio da gravidade sem precisar de eletricidade”, diz Zaiat. Ele realizou a primeira parte da pesquisa com um Auxilio Regular a Projeto de Pesquisa, financiado pela FAPESP, e participa de um projeto temático coordenado pelo professor Eugênio Foresti, que também abriga a pesquisa da professora Elisabete, além de pesquisadores da UFSCar e da Escola de Engenharia Mauá (EEM), da cidade de São Caetano do Sul.

Os Projetos
1. Produção de hidrogênio em reator anaeróbio de leito fixo (nº 05/00789-7); Modalidade Auxílio Regular a Projeto de Pesquisa; Coordenador Marcelo Zaiat – USP; Investimento R$ 60.829,64 e US$ 27.770,92 (FAPESP)
2. Desenvolvimento de sistemas combinados de tratamento de águas residuárias visando a remoção de poluentes e a recuperação de energia e de produtos dos ciclos de carbono, nitrogênio e enxofre (nº 05/51702-9); Modalidade Projeto Temático; Coordenador Eugênio Foresti – USP; Investimento R$ 896.854,66 e US$ 239.417,81 (FAPESP)

Artigos científicos
Leite, J.A.C.; Fernandes, B.S.; Pozzi, E.; Barboza, M.; Zaiat, M. Application of an anaerobic packed-bed bioreactor for the production of  hydrogen and organic acids. International Journal of Hydrogen Energy. v. 33, p. 579-586. nov 2008

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