Tecnologia supercrítica

Agora que já possuímos uma visão puramente acadêmica sobre flúidos supercríticos, é hora de tentarmos buscar as suas aplicações. Abaixo, uma tabela que mostra as pressões e temperaturas dos pontos críticos de diversos compostos:

Os fluidos supercríticos são utilizados na formação de nanopartículas, na produção de fármacos, cosméticos, nutracêuticos e polímeros especiais, no importante processo de Secagem Supercrítica, na preparação de amostras biológicas, na geração de energia, na refrigeração, dentre outras possibilidades.
Vamos discorrer sobre algumas dessas utilizações:

Secagem Supercrítica

A Secagem Supercrítica é uma técnica muito interessante que permitiu grandes avanços como a produção de Aerogéis. Ela consiste em se aproveitar das propriedades que um fluido adquire quando passa para o estado supercrítico. Para explicar como funciona essa técnica, vamos supor que se queira secar um pedaço de um material. No gráfico abaixo de um diagrama de fases genérico observamos que existem 3 maneiras de fazer um líquido virar gás, ou seja, realizar a secagem:
 A seta azul consiste transformar a fase líquida em sólida e posteriormente fazer sólido virar gás. Esse processo é conhecido como Liofilização (freeze-drying em inglês) e nele a substância atravessa as linhas de fase sólido-líquido e sólido-gás.
A seta verde consiste em transformar a fase líquida em gasosa diretamente atravessando a linha de fase líquido-gás.
A seta vermelha representa a secagem supercrítica. Nela a substância não cruza nenhuma linha de fase. Ela na verdade passa pela região supercrítica, saindo de líquido e chegando em gás.

Mas porque esse processo oferece uma vantagem? É por que no estado supercrítico um fluido não exerce forças de capilaridade, não danificando assim a estrutura ao seu redor quando estiver se transformando de líquido para gás.

Na secagem supercrítica, portanto, faz-se o líquido chegar ao estado supercrítico e então diminui-se a pressão até transformar o líquido em gás, processo que não causa danos à estrutura ao redor, resultando num produto seco.  

Aerogel

O que é?

É o material sólido mais leve produzido pela humanidade, sendo sendo composto de até 99.98% de ar e é também a classe de compostos de menor densidade, atingindo valores de 0.0011 até 0.5 g/cm³.  Definição: É uma espuma sólida mesoporosa de células abertas composta por uma rede interligada de nanoestruturas e que exibe porosidade (volume da parte não-sólida) maior que 50%.

Tipos

-Sílica (mais comum)

-A maior parte dos óxidos de metais de transição

-A maior parte dos óxidos de lantanídeos e actinídeos

-Vários óxidos de metais

-Polímeros Orgânicos

-Polímeros biológicos

-Nanoestruturas semicondutoras (como os "quantum dots" de seleneto de cadmio)

-Carbono

-Nanotubos de Carbono

-Metais (como Ouro e Cobre)

Como é feito?

Primeiramente deve ser preparado um gel. Um gel é uma dispersão coloidal na qual o meio dispersante é sólido e o meio dispersivo é líquido. Para produzir o aerogel deve-se substituir a parte líquida por ar. Se tentarmos fazer isso pelo simples processo de evaporação a estrutura do sólido pode ser danificada devido às forças de tensão e capilaridade exercidas durante a evaporação do líquido. Para resolver esse problema a técnica utilizada é a secagem supercrítica, como dito acima.

Aplicações

-São excelentes isolantes térmicos e, portanto, podem ser utilizados em diversas situações na qual se deseja impedir a troca de calor entre dois sistemas como:
1) No revestimento das roupas de alpinistas (que ficam expostos a baixas temperaturas quando escalam uma montanha).
2) No próprio revestimento de naves aeroespaciais (que ficam tanto expostas ao frio extremo do espaço quanto ao calor liberado pelo atrito durante a reentrada na atmosfera).
3) No isolamento térmico de clarabóias.

- Em membranas de células eletroquímicas.
- Divesos componentes de aeronaves.
- O aerogel de carbono detém grande potencial de aplicação em supercapacitores e células de combustível para automóveis energeticamente eficientes.
- Pode ser utilizado se necessita de um material adsorvente.
- Sensores químicos.

Referências:   
  Aerogel.org 23/07/2013 <http://www.aerogel.org>

 Aerogel. In: Wikipédia:a enciclopédia livre. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Aerogel> Acesso em: 22/07/2013.

     Introdução aos Fluidos Supercríticos

Fluidos supercríticos são substâncias que se encontram em condições de pressão e temperatura acima do ponto crítico num gráfico de diagrama de fases.

Mas o que é um gráfico de diagrama de fases? 

É um gráfico que mostra o estado físico mais estável e, portanto, predominante, em diferentes pressões e temperaturas, como na figura abaixo, onde podemos observar um gráfico de diagrama de fases de variáveis Pressão por Temperatura:

As linhas que separam as regiões do diagrama de fases são chamadas curvas de fase. Nessas linhas os dois estados físicos vizinhos coexistem. Os dois pontos marcados em vermelho: "triple point" e "critical point" são, respectivamente, ponto triplo (ponto onde coexistem os estados físicos Sólido, Líquido e Gasoso) e ponto crítico (ponto a partir do qual um fluido se torna supercrítico) da substância que está sendo analisada. Dadas uma determinada pressão e temperatura de uma substância, é possível conhecermos o estado físico em que ela se encontra por meio do diagrama de fases, bem como o ponto a partir do qual ela se transforma em um fluido supercrítico.

O foco do nosso blog é discorrer sobre o que acontece com uma substância quando ela está acima do Ponto Crítico e todas as grandes consequências aplicáveis desse fenômeno.

Agora que já possuímos alguma noção do que é um diagrama de fases, podemos observar o que acontece quando vão sendo elevadas progressivamente a temperatura e a pressão de uma substância. 

Quando o Ponto Crítico é alcançado, a curva das fases líquido-vapor chega a seu fim.

Para saber o que acontece nesse ponto, imagine-se um recipiente fechado contendo água líquida inicialmente a 25°C. É natural que após algum tempo tenhamos água liquida se transformando em vapor d' água e vapor d' água se transformando em água líquida num equilíbrio químico dinâmico ( dinâmico pois sempre temos as duas transformações ocorrendo). Ao elevar-se a temperatura desse sistema, percorrendo o diagrama de fases da esquerda para a direita, deslocaremos o equilíbrio no sentido de produzir cada vez mais vapor d'água, aumentando a pressão dentro do recipiente e a densidade do vapor d' água.

 Quando a temperatura é elevada até 374 °C (Ponto Crítico da Água), a pressão de vapor atinge 218 atmosferas. A densidade do vapor é agora tão grande que se iguala a do líquido. Nesse ponto desaparece a nítida superfície de separação que existia entre a água que ainda se encontrava no estado líquido e o vapor d' água. Forma-se uma única fase uniforme que preenche todo o recipiente.

Se for mantida a temperatura de 374°C ou superior, independentemente do quanto se eleve a pressão dentro do recipiente, não haverá separação entre fases líquida e gasosa, ou seja, não é mais possível haver transição de vapor para líquido.

Esse fenômeno também é aplicável a outras substâncias, como o dióxido de carbono.

Com esse conhecimento, é possível uma melhor definição entre os conceitos de Vapor e Gás.  O conceito de Vapor passa a ser o de fase gasosa da substância enquanto ela ainda está abaixo do seu Ponto Crítico, sendo ainda possível a transformação de vapor em líquido.  O conceito de Gás passa a ser o de fase gasosa da substância quando ela está acima do seu Ponto Crítico, sendo agora impossível retorná-la para o estado líquido a não ser que se diminua a temperatura.

O termo Fluido Supercrítico é o mais correto para esse estado físico pois, apesar do fluido ser formalmente um gás (já que ocupa todo o recipiente), possui densidade tão grande quanto a de um líquido, sendo capaz de atuar como um solvente tanto para líquidos quanto para sólidos. Isso traz um enorme potencial de aplicação aos fluidos supercríticos, que discutiremos mais tarde.

Abaixo, um vídeo mostrando CO2 sendo aquecido até se transformar em fluido supercrítico ( o que acontece ao tempo de 1:10 do vídeo).

Referências:
- Atkins, Peter ; Jones, Loretta - Chemical Principles The Quest for Insight. 5th edition  W.H. Freeman.