Dinâmica molecular reativa da gaseificação do glicerol em água supercrítica

Abstract

As crescentes preocupações com os efeitos do agravamento do efeito estufa e o futuro esgotamento das reservas naturais de combustíveis fósseis tornaram imperativa a busca por tecnologias alternativas sustentáveis. Uma das opções é o biodiesel, que pode ser obtido a partir de fontes vegetais muito comuns na agricultura humana, como a soja. Contudo o método de síntese mais empregado acarreta em grande quantidade de subprodutos, especialmente o glicerol, o qual representa 10% em massa do que é sintetizado. Portanto, soluções são necessárias responder à maior oferta do glicerol, figurando entre elas a gaseificação. Apesar da última já estar estabelecida para o trabalho com matérias primas secas e no estado sólido, como o carvão, por exemplo, há limitações no processamento de alimentação com maiores teores de umidade, que é o caso do glicerol resultante da produção de biodiesel. A gaseificação utilizando água supercrítica se apresenta como solução neste sentido, pois a água contida na matéria prima é utilizada como próprio agente gaseificante. Estudos experimentais já revelaram as composições e possíveis mecanismos que orientam o processo, porém ainda carece maior detalhamento sobre as etapas envolvidas. A dinâmica molecular reativa é importante recurso para este tipo de investigação. Assim, este trabalho apresenta resultados de simulações de dinâmica molecular para a gaseificação em água supercrítica do glicerol, usando o potencial reativo ReaxFF. As simulações foram conduzidas com o pacote computacional LAMMPS, sob temperatura de 3000K e pressão 25 MPa, em ambiente não catalítico, partindo de uma concentração inicial de 10% em massa de glicerol, por 2 ns. A decomposição devido à evolução de radicais, principalmente H• e OH•, é o mecanismo principal por meio do qual se procede a gaseificação. A composição final é sobretudo de H2 e CO2, em 75% e 22% em base molecular, nesta ordem. Tais resultados concordam com os obtidos experimentalmente, apontando a viabilidade da utilização da dinâmica molecular reativa na investigação da gaseificação com água supercrítica.

The ever increasing concern with the after effects of global warming and the depletion of fossil fuel natural reserves in the foreseeable future demand searches for sustainable alternative technologies. One option is biodiesel, which can be obtained from common agricultural crops, such as soybean. However the main synthesis method employed in its production results in a great amount of byproducts, especially glycerol, which accounts for a mass of at least 10% of the final product. Therefore, solutions are necessary in order to make use of the higher quantity of glycerol. Among many possible, there is the gasification. Even though well established for handling dry solid-state particulate matter, like coal, for instance, there are limitations in its application to wetter combustible materials, which is the common condition of the glycerol resulting from biodiesel production. Supercritical water gasification acts as an important workaround, as the water contained in the feedstock can be used as the gasification agent. Previous experiments already unraveled the composition and possible mechanisms that guide the process, but greater details about the chemical steps are still lacking. Thus this work displays the simulation results of the supercritical water gasification of glycerol, with the ReaxFF. The simulations were carried out using the LAMMPS computational package, under temperature of 3000K and pressure of 25 MPa, in a non-catalytic environment, from an initial 10% mass concentration of glycerol, for 2 ns. The decomposition due to radical production, mainly H• e OH•, is the main pathway in the gasification. The final gas composition is essentially represented by H2 and CO2, in 75% and 22% molecular based concentration, in that order. The results agree with previous experimental data, which promote molecular dynamics simulations for further studies on the supercritical water gasification of glycerol.