Sobre as vantagens cinéticas do uso de microondas em reações químicas, inclusive no tratamento de águas residuais por oxidação catalítica

Aquecimento rápido e uniforme, sem gradientes de temperatura 

proporcionado pelo uso de microondas.

Primeiras evidências da vantagem cinética em reações químicas

Em 1986, os investigadores Richard Gedye e outros da Laurentian University (Ontario, Canadá), estudaram o efeito do uso de microondas em quatro tipos completamente diferentes de reações orgânicas, a saber: 

(i) hidrólise ácida da benzamida para dar ácido benzóico; 

ii) oxidação do permanganato de tolueno em solução básica originando ácido benzóico; 

iii) a esterificação de ácido benzóico com metanol, propanol e butanol; 

(iv) a reação SN2 entre 4-cianofenóxido de sódio e cloreto de benzil, originando 4-cianofenil

éter benzílico.

Cada reação foi realizada sob refluxo tradicional, e também num forno de microondas. (...) Os resultados mostraram melhorias na cinética reação entre 6 e 240 vezes quando as microondas são usadas ao invés do refluxo tradicional, não havendo no conjunto testado um só tipo de reação que exibisse melhor cinética sob métodos tradicionais do com microondas.

No cômputo geral, os resultados demonstraram de forma convincente que o uso de microondas pode levar a economias substanciais no tempo para muitas sínteses de laboratório, particularmente aquelas que envolvem solventes ou reagentes com baixo ponto de ebulição. O método permite acesso rápido e relativamente barato a temperaturas e pressões muito altas. As alternativas atualmente disponíveis exigem muito tempos de aquecimento mais longo e praticamente não permitem controle sobre a entrada de energia. Porém, os autores do estudo ressalvaram que se deve ter muito cuidado ao adaptar a técnica de microondas a novas reações, no entanto, uma vez que as pressões desenvolvidas nos vasos podem ser muito ótimo.

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Fonte: Gedye, R., Smith, F., Westaway, K., Ali, H., Baldisera, L., Laberge, L., & Rousell, J. (1986). The use of microwave ovens for rapid organic synthesis. Tetrahedron Letters, 27(3), 279–282.

Microondas (também) no tratamento de águas residuais por oxidação catalítica

Nos últimos anos, cada vez maior atenção tem sido focada na avançada tecnologia de oxidação catalítica. Esta utiliza eletricidade, luz, ultrassom etc. para induzir catalisadores e / ou oxidantes a produzir radicais livres com alta atividade oxidante, como radicais hidroxilo (OH), radicais superóxido (O2-) e radicais sulfato (SO4−) [16 ] Estes radicais livres podem produzir uma extensa destruição das ligações covalentes em contaminantes e podem reagir repetidamente com os substratos original e intermediário, levando a extensa degradação ou mineralização de contaminantes [16], [17]. 

Os métodos avançados de oxidação catalítica fizeram progressos notáveis ​​no campo do tratamento de águas residuais. Nos processos reais de tratamento de águas residuais, no entanto, os requisitos para as condições de reação são relativamente altos e os custos de investimento e operação são muito importantes. Assim, os investigadores começaram a explorar e estudar formas de melhorar tecnologia catalítica, como através da introdução de métodos de aquecimento superiores. Vários estudos mostraram que a aplicação da tecnologia de microondas (MW) poderia fornecer uma solução para o problema [18], [19], [20], [21].

O tratamento por irradiação com MW, tem como vantagens o aquecimento rápido e uniforme, sem gradientes de temperatura, melhorar muito a eficiência dos processos, reduzir o consumo de energia, diminuir o tempo de reação e perceber o significado genuíno de economia de energia e alta eficiência [19], [20 ], [21], [22], [23].

Em comparação com os métodos tradicionais de tratamento de águas residuais, a tecnologia catalítica assistida por MW pode evitar os problemas de geração de lamas, alto gasto de capital, descarte difícil de lamas excedentes, poluição secundária, incrustação de membranas etc. Além disso, as vantagens da rápida velocidade de processamento, degradação completa, baixos custos de infraestrutura e operação, etc. emergem naturalmente devido à combinação do efeito MW e oxidação catalítica avançada [19], [38], [39]. Assim, a tecnologia catalítica assistida por MW mostra uma perspectiva de desenvolvimento superior no campo do tratamento de águas residuais em comparação com outras tecnologias avançadas de oxidação catalítica (eletricidade, luz, ultrassom etc. como fatores de indução).

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Fonte: R.Wei, P. Wang, G. Zhang, N. Wang, T. Zheng, Microwave-responsive catalysts for wastewater treatment: A review, Chemical Engineering Journal, 382 (2020) 122781.

Evolução dos microondas domésticos desde o modelo pioneiro da Raytheon.

Microondas: da 2ª Guerra mundial para as cozinhas de todo o mundo

A tecnologia de microondas, desenvolvida por Percy Spencer para radares durante a Segunda Guerra Mundial, foi posta em uso pacífico imediatamente após o fim da guerra.

O primeiro forno de microondas Raytheon (empresa pioneira no desenvolvimento da tecnologia) foi apresentado em 1946 na cidade de Nova York a um público selecionado, composto por editores na área do alimentos, economistas, proprietários de restaurantes e operadores de companhias aéreas.

(...) O primeiro forno de microondas doméstico foi lançado em 1955, e logo vários fabricantes se interessaram pela tecnologia. (...) Ao longo da década de 1960, os fabricantes aprimoraram e ajustaram a tecnologia para desenvolver fornos de microondas mais apelativos. (...) Os anos 70 foram o auge do forno microondas.

(...) Enquanto em 1978 cerca de 10 a 12% dos lares americanos tinham fornos de microondas, [em 2007] a penetração no mercado era superior a 90%.

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Fonte: P. Pesheck, M. Lorence, Development of Packaging and Products for Use in Microwave Ovens, Elsevier, 2009.