Pirólise é a decomposição térmica de materiais a temperaturas elevadas em uma atmosfera inerte. Envolve a mudança da composição química e é irreversível. A palavra é cunhada dos elementos derivados de grego pyro "fire" e lysis "separating".
A pirólise é mais comumente usada no tratamento de materiais orgânicos . É um dos processos envolvidos na carbonização de madeira. Em geral, a pirólise de substâncias orgânicas produz produtos voláteis e deixa um resíduo sólido enriquecido em carbono, char . A pirólise extrema, que deixa principalmente carbono como resíduo, é chamada de carbonização .
O processo é usado intensamente na indústria química , por exemplo, para produzir etileno , muitas formas de carbono e outras substâncias químicas do petróleo, carvão e até madeira, para produzir coque a partir do carvão . As aplicações aspirativas da pirólise converteriam a biomassa em gás de síntese e biocarvão , os resíduos plásticos em óleo utilizável ou os resíduos em substâncias seguramente descartáveis.
Terminologia
A pirólise é um dos vários tipos de processos de degradação química que ocorrem em temperaturas mais altas (acima do ponto de ebulição da água ou outros solventes). Difere de outros processos como combustão e hidrólise , pois normalmente não envolve a adição de outros reagentes, como oxigênio (O 2 , na combustão) ou água (na hidrólise).
Tipos de pirólise
A pirólise completa da matéria orgânica geralmente deixa um resíduo sólido que consiste principalmente em carbono elementar ; o processo é então chamado de carbonização . Casos mais específicos de pirólise incluem
destilação seca , como na produção original de ácido sulfúrico a partir de sulfatos
destilação destrutiva , como na fabricação de carvão , coque e carvão ativado
caramelização de açúcares
processos de cozimento de alta temperatura , como assar , fritar , torrar , grelhar , etc.
quebra de hidrocarbonetos mais pesados em mais leves, como no refino de petróleo
despolimerização térmica , que decompõe os plásticos e outros polímeros em monômeros e oligômeros
pirólise hidratada , na presença de água superaquecida ou vapor, também utilizada em refino de petróleo
catagênese , a conversão natural de matéria orgânica enterrada em combustíveis fósseis
pirólise instantânea a vácuo , usada em síntese orgânica
Processos gerais e mecanismos
A pirólise geralmente consiste em aquecer o material acima de sua temperatura de decomposição , quebrando ligações químicas em suas moléculas. Os fragmentos geralmente se tornam moléculas menores, mas podem se combinar para produzir resíduos com maior massa molecular, até mesmo sólidos covalentes amorfos .

Inversamente, o material de partida pode ser aquecido em vácuo ou em atmosfera inerte, evitando reações químicas adversas. A pirólise no vácuo também reduz o ponto de ebulição dos subprodutos, melhorando sua recuperação.
Quando a matéria orgânica é aquecida a temperaturas crescentes em recipientes abertos, os seguintes processos geralmente ocorrem, em etapas sucessivas ou sobrepostas:
Abaixo de cerca de 100 ° C, os voláteis, incluindo alguma água, evaporam. Substâncias sensíveis ao calor, como vitamina C e proteínas , podem mudar parcialmente ou se decompor já neste estágio.
A cerca de 100 ° C ou um pouco mais alto, qualquer água remanescente que é apenas absorvida no material é expelida. A água presa na estrutura cristalina dos hidratos pode sair a temperaturas um pouco mais altas. Esse processo consome muita energia , então a temperatura pode parar de subir até que este estágio esteja completo.
Algumas substâncias sólidas, como gorduras , ceras e açúcares , podem derreter e se separar.
Entre 100 e 500 ° C, muitas moléculas orgânicas comuns se decompõem. A maioria dos açúcares começa a se decompor a 160-180 ° C. A celulose , um dos principais componentes dos tecidos de madeira, papel e algodão , decompõe-se a cerca de 350 ° C. A lignina , outro componente importante da madeira, começa a se decompor a cerca de 350 ° C, mas continua liberando produtos voláteis a até 500 ° C. Os produtos de decomposição geralmente incluem água, monóxido de carbono CO e / ou dióxido de carbono CO
2, bem como um grande número de compostos orgânicos. Gases e produtos voláteis deixam a amostra, e alguns deles podem se condensar novamente como fumaça. Geralmente, esse processo também absorve energia. Alguns voláteis podem inflamar e queimar, criando uma chama visível . Os resíduos não voláteis tipicamente se tornam mais ricos em carbono e formam grandes moléculas desordenadas, com cores variando entre marrom e preto. Neste ponto, diz-se que o assunto foi " carbonizado " ou "carbonizado".

2 e N
2 O
3 . Enxofre e outros elementos como cloro e arsênico podem ser oxidados e volatilizados nesta fase.
Uma vez que a combustão do resíduo carbonáceo esteja completa, um resíduo mineral ( cinza ) em pó ou sólido é freqüentemente deixado para trás, consistindo de materiais oxidados inorgânicos de alto ponto de fusão. Algumas das cinzas podem ter sido deixadas durante a combustão, arrastadas pelos gases como cinza volante ou emissões de partículas . Os metais presentes na matéria original geralmente permanecem na cinza como óxidos ou carbonatos , como a potassa . Fósforo , de materiais como ossos , fosfolipídios e ácidos nucléicos , geralmente permanece como fosfato .
Ocorrência e usos
Etileno
A pirólise é usada para produzir etileno , o composto químico produzido em larga escala industrialmente (> 110 milhões de toneladas / ano em 2005). Neste processo, os hidrocarbonetos do petróleo são aquecidos a cerca de 600 ° C (1112 ° F) na presença de vapor; isso é chamado de quebra a vapor . O etileno resultante é usado para fabricar anticongelante ( etilenoglicol ), PVC (via cloreto de vinila ) e muitos outros polímeros, como polietileno e poliestireno.
Coca-Cola, Carbono, Carvão
Materiais ricos em carbono e carbono têm propriedades desejáveis, mas não são voláteis, mesmo em altas temperaturas. Consequentemente, a pirólise é usada para produzir muitos tipos de carbono; estes podem ser usados como combustível, como reagentes na produção de aço (coque) e como materiais estruturais.
Pirólise de alta temperatura é usada em escala industrial para converter carvão em coque para metalurgia , especialmente siderurgia . Produtos voláteis são frequentemente úteis, incluindo benzeno e piridina . O coque também pode ser produzido a partir do resíduo sólido deixado da refinação de petróleo.
O processo de coqueificação ou "coqueificação" consiste em aquecer o material em "fornos de coqueificação" a temperaturas muito altas (até 900 ° C ou 1.700 ° F) para que essas moléculas sejam decompostas em substâncias voláteis mais leves, que deixam a embarcação e um resíduo poroso mas duro que é principalmente carbono e cinzas inorgânicas. A quantidade de voláteis varia com o material de origem, mas normalmente é de 25 a 30% em peso.
A estrutura vascular original da madeira e os poros criados pelos gases que escapam se combinam para produzir um material leve e poroso. Ao começar com um material de madeira como densa, tais como cascas de nozes ou de pêssego pedras , obtém-se uma forma de carvão vegetal, com poros particularmente finos (e, consequentemente, uma área de superfície de poro muito maior), chamado de carbono activado , que é usado como um adsorvente para uma ampla gama de substâncias químicas.
Biochar é o resíduo da pirólise orgânica incompleta, por exemplo, de fogos de cozinha. Eles são um componente chave dos solos de terra preta associados a antigas comunidades indígenas da bacia amazônica . Terra preta é muito procurada pelos agricultores locais por sua fertilidade superior e capacidade de promover e reter um conjunto aprimorado de microbiota benéfica, em comparação com o solo vermelho típico da região. Esforços estão em andamento para recriar esses solos através do biocarvão , o resíduo sólido da pirólise de diversos materiais, principalmente resíduos orgânicos.
As fibras de carbono são filamentos de carbono que podem ser usados para fazer fios e tecidos muito fortes. Os itens de fibra de carbono são frequentemente produzidos por fiação e tecelagem do item desejado a partir de fibras de um polímero adequado e, em seguida, a pirólise do material a uma alta temperatura (de 1.500 a 3.000 ° C ou 2.730 a 5.430 ° F). As primeiras fibras de carbono foram feitas de rayon , mas o poliacrilonitrilo tornou-se o material de partida mais comum. Para suas primeiras lâmpadas elétricas viáveis , Joseph Wilson Swan e Thomas Edison usaram filamentos de carbono feitos por pirólise de fios de algodão e lascas de bambu , respectivamente.
Pirólise é a reação usada para revestir um substrato pré-formado com uma camada de carbono pirolítico . Isso é feito tipicamente em um reator de leito fluidizado aquecido a 1.000-2.000 ° C ou 1.830 a 3.630 ° F. Revestimentos de carbono pirolítico são usados em muitas aplicações, incluindo válvulas cardíacas artificiais .
Biocombustíveis
A pirólise é a base de vários métodos para produzir combustível a partir da biomassa , ou seja, a biomassa lignocelulósica . As culturas estudadas como matéria-prima de biomassa para pirólise incluem gramíneas nativas da América do Norte, tais como gramíneas e versões criadas de outras gramíneas, como Miscantheus giganteus . Outras fontes de matéria orgânica como matéria-prima para a pirólise incluem resíduos verdes, serragem, resíduos de madeira, cascas de nozes, palha, lixo de algodão, casca de arroz. Resíduos de animais, incluindo cama de frango, esterco de leite e outros adubos, também estão sendo avaliados. Alguns subprodutos industriais também são matéria-prima adequada, incluindo lodo de papel e grãos de destilaria.
O combustível diesel sintético por pirólise de materiais orgânicos ainda não é economicamente competitivo. Uma eficiência mais alta é às vezes alcançada por pirólise rápida , na qual matéria-prima finamente dividida é rapidamente aquecida entre 350 e 500 ° C (660 e 930 ° F) por menos de dois segundos.
A baixa qualidade dos óleos produzidos através da pirólise pode ser melhorada por processos físicos e químicos, o que pode elevar os custos de produção, mas pode fazer sentido economicamente à medida que as circunstâncias mudam.
Existe também a possibilidade de integração com outros processos, como tratamento biológico mecânico e digestão anaeróbica . A pirólise rápida também é investigada para conversões de biomassa. O bio-óleo de combustível também pode ser produzido por pirólise hidratada .
Semicondutores
O processo de epitaxia em fase de vapor metalorgico (MOCVD) implica a pirise de compostos organometicos voleis para dar semicondutores, revestimentos duros e outros materiais apliceis. As reações implicam na degradação térmica dos precursores, com deposição do componente inorgânico e liberação dos hidrocarbonetos como resíduos gasosos. Como é uma deposição de átomos por átomos, esses átomos se organizam em cristais para formar o semicondutor em massa. Os chips de silício são produzidos pela pirólise do silano:
SiH 4 → Si + 2 H 2
O arsenieto de gálio , outro semicondutor, forma-se após co-pirólise de trimetilgálio e arsina .
Reciclagem
A pirólise também pode ser usada para tratar resíduos de plástico. A principal vantagem é a redução no volume dos resíduos. Em princípio, a pirólise irá regenerar os monómeros (precursores) para os polímeros que são tratados, mas na prática o processo não é nem uma fonte de monómeros limpa nem economicamente competitiva.
Na reciclagem de pneus, a pirólise do pneu é uma tecnologia bem desenvolvida. Outros produtos da pirólise de pneus de automóveis incluem fios de aço, negro de fumo e betume. A área enfrenta obstáculos legislativos, econômicos e de marketing. O petróleo derivado da pirólise da borracha de pneu contém alto teor de enxofre, o que lhe confere alto potencial como poluente e deve ser dessulfurizado.
Limpeza térmica
A pirólise também é usada para limpeza térmica , uma aplicação industrial para remover substâncias orgânicas , como polímeros , plásticos e revestimentos de peças, produtos ou componentes de produção, como parafusos extrusores , fiandeiras e misturadores estáticos . Durante o processo de limpeza térmica, a temperaturas entre 310 ° C e 540 ° C (600 ° F a 1000 ° F), o material orgânico é convertido por pirólise e oxidação em compostos orgânicos voláteis , hidrocarbonetos e gás carbonizado . Inorgânicoelementos permanecem.
Vários tipos de sistemas de limpeza térmica usam pirólise:
Banhos de sal derretido pertencem aos mais antigos sistemas de limpeza térmica; a limpeza com um banho de sal fundido é muito rápida, mas implica o risco de respingos perigosos ou outros riscos potenciais relacionados ao uso de banhos de sal, como explosões ou gás de cianeto de hidrogênio altamente tóxico .
Sistemas de Leito Fluidizado usam areia ou óxido de alumínio como meio de aquecimento; esses sistemas também limpam muito rápido, mas o meio não derrete ou ferve, nem emite vapores ou odores; o processo de limpeza leva de uma a duas horas.

Os Fornos de Aquecimento , também conhecidos como Fornos de Limpeza Térmica , são acionados a gás e usados nas indústrias de pintura, revestimentos , motores elétricos e plásticos para remover produtos orgânicos de peças metálicas pesadas e grandes.
Síntese Química Fina
A pirólise é utilizada na produção de compostos químicos, principalmente, mas não apenas, no laboratório de pesquisa.
A área dos clusters de hidreto de boro começou com o estudo da pirólise do diborano (B 2 H 6 ) a ca. 200 ° C. Os produtos incluem os clusters pentaborane e decaborane . Estas pirólises envolvem não apenas rachaduras (para dar H 2 ), mas também re condensação .
A síntese de nanopartículas, zircônia e óxidos , utilizando um bocal ultra - sônico em um processo chamado pirólise por pulverização ultrassônica (USP).
Outros usos e ocorrências
A pirólise é usada para transformar materiais orgânicos em carbono para fins de datação por carbono-14 .
O Py-GC-MS é um procedimento laboratorial importante para determinar a estrutura dos compostos.
A pirólise de tabaco , papel e aditivos, em cigarros e outros produtos, gera muitos produtos voláteis (incluindo nicotina , monóxido de carbono e alcatrão ) que são responsáveis pelo aroma e pelos efeitos na saúde do fumo . Considerações semelhantes se aplicam ao fumo de maconha e à queima de produtos de incenso e bobinas de mosquito .
A pirólise ocorre durante a incineração do lixo , gerando potencialmente voláteis que são tóxicos ou que contribuem para a poluição do ar, se não forem completamente queimados.
O equipamento de laboratório ou industrial, às vezes, sofre contaminação por resíduos carbonosos que resultam da coqueificação , a pirólise de produtos orgânicos que entram em contato com superfícies quentes.
História
A pirólise tem sido usada para transformar madeira em carvão desde os tempos antigos. Em seu processo de embalsamamento, os antigos egípcios usavam o metanol , obtido da pirólise da madeira. A destilação seca de madeira continuou sendo a principal fonte de metanol no início do século XX.
O filósofo do Califado do século VIII Jabir ibn Hayyan (conhecido como Geber no Ocidente) pode ser considerado o pai da química experimental por causa de seu desenvolvimento da réplica , que ele usou para descobrir os ácidos sulfúrico , clorídrico e nítrico , bem como a água régia. , por destilação a seco de vitríolo misturado com outros sais. Estas descobertas tornaram-se conhecidas na Europa no século XIV, através dos livros de Pseudo-Geber . A pirólise também foi fundamental na descoberta de muitas substâncias químicas importantes, como o fósforo (a partir do hidrogeno fosfato de sódio e amônioNH
4 NaHPO
4 na urina concentrada ) e oxigênio (de óxido de mercúrio e vários nitratos ).
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