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CO2: O que é, como é produzido, seu impacto no meio ambiente e seus usos

Dióxido de carbono (fórmula química CO2) é um gás incolor com uma densidade cerca de 60% superior à do ar seco. O dióxido de carbono consiste-se em um átomo de carbono que é covalentemente duplamente ligado a dois átomos de oxigênio. Ocorre naturalmente na atmosfera da Terra como um gás traço. A concentração atual é de cerca de 0,04 % vol. (410 ppm) após um aumento do nível pré-industrial de 280 ppm. As fontes naturais são vulcões, fontes termais e gêiseres, e são liberadas das rochas carbonatadas por solução em água e ácidos. Como o dióxido de carbono é solúvel em água, ele ocorre naturalmente em águas subterrâneas, rios e lagos, calotas de gelo, geleiras e água do mar. Ocorre em depósitos de petróleo e gás. O dióxido de carbono é inodoro em concentrações normais, mas apresenta um odor picante e ácido em concentrações elevadas.

Como fonte de carbono disponível no ciclo do carbono, o dióxido de carbono da atmosfera é a principal fonte de carbono para a vida na Terra e sua concentração na atmosfera pré-industrial da Terra desde o fim do Pré – Cambriano tem sido regulado por organismos fotossintéticos e fenômenos geológicos. Plantas, algas e cianobactérias usam energia da luz para fotossíntese de carboidratos de dióxido de carbono e água e produzem oxigênio como um produto residual.

CO2 é produzido por todos os organismos aeróbicos quando eles metabolizam carboidratos e lipídios para gerar energia através da respiração. É devolvido à água através das guelras dos peixes e ao ar através dos pulmões dos animais terrestres que respiram ar, incluindo os humanos. O dióxido de carbono é produzido durante a decomposição da matéria orgânica e a fermentação do açúcar na produção de pão, cerveja e vinho. É produzido pela queima de madeira e outros materiais orgânicos e combustíveis fósseis, como carvão, turfa, petróleo e gás natural. É um subproduto indesejável em muitos processos de oxidação em grande escala, por exemplo, na produção de ácido acrílico (mais de 5 milhões de toneladas/ano).

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É um material industrial versátil que é utilizado, por exemplo, como gás de proteção em soldagem e extintores de incêndio, como gás comprimido em pistolas de ar e extração de óleo, como matéria-prima química e como solvente líquido supercrítico em café descafeinado e como processo de secagem supercrítico. Água potável e bebidas carbonatadas, como cerveja e vinho espumante, são adicionados para promover efervescência. A forma sólida congelada de CO2, também conhecido como gelo seco, é usado como um refrigerante e como um meio de jateamento em jateamento de gelo seco. É uma matéria-prima para a síntese de combustíveis e produtos químicos.

O dióxido de carbono é o gás com efeito de estufa de longa duração mais importante da atmosfera terrestre. Desde a Revolução Industrial, as emissões antropogênicas – principalmente devido ao uso de combustíveis fósseis e ao desmatamento – aumentaram rapidamente na atmosfera, levando ao aquecimento global. O dióxido de carbono também causa acidificação do oceano porque se dissolve na água e forma dióxido de carbono.

O dióxido de carbono foi o primeiro gás a ser chamado de substância discreta. Por volta de 1640, o químico flamengo Jan Baptist de Helmont observou que, quando o carvão era queimado num recipiente fechado, a massa das cinzas produzidas era muito menor do que a do carvão original. Sua interpretação era que o resto do carvão havia sido transformado em uma substância invisível, que ele chamou de “gás” ou “espírito silvestre” (Spiritus sylvestris).

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As propriedades do dióxido de carbono foram mais exploradas pelo médico escocês Joseph Black em 1750. Ele descobriu que o calcário (carbonato de cálcio) poderia ser aquecido ou tratado com ácidos para obter um gás chamado “ar sólido”. Ele observou que o ar sólido era mais denso que o ar e não podia tolerar chamas ou vida animal. Schwarz também descobriu que se fosse soprado pela água de cal (uma solução aquosa saturada de hidróxido de cálcio), precipitaria o carbonato de cálcio. Com este fenómeno, ele ilustrou que o dióxido de carbono é produzido pela respiração animal e pela fermentação microbiana. Em 1772, o químico inglês Joseph Priestley publicou um artigo intitulado Impregnação de Água com Ar Sólido, no qual descreve um processo pelo qual o ácido sulfúrico (ou óleo de vitriol, como Priestley o chamava) é gotejado em giz para produzir dióxido de carbono e dissolver o gás, agitando uma tigela de água e colocando-a em contato com o gás.

O dióxido de carbono foi primeiro liquefeito (em alta pressão) em 1823 por Humphry Davy e Michael Faraday. A primeira descrição de dióxido de carbono sólido (gelo seco) foi dada pelo inventor francês Adrien-Jean-Pierre Thilorier, que abriu um vaso de pressão contendo dióxido de carbono líquido em 1835 para descobrir que a rápida evaporação do líquido levou ao arrefecimento e produziu uma “neve” de CO2 sólido.

A molécula de dióxido de carbono é linear e centro-simétrica. O comprimento da ligação carbono-oxigénio é 116,3 μm, significativamente mais curto do que o comprimento de ligação de uma única ligação C-O e ainda mais curto do que a maioria dos outros grupos funcionais da ligação C-O. Por ser centro-simétrica, a molécula não tem dipolo elétrico. Consequentemente, apenas duas bandas de vibração foram observadas no espectro IR – um modo de alongamento assimétrico num comprimento de onda de 2349 cm-1 e uma degeneração do modo de flexão num comprimento de onda de 667 cm-1 (comprimento de onda 15 μm). Há também um modo de alongamento simétrico a 1388 cm-1, que é observado apenas no espectro Raman.

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O dióxido de carbono é incolor. Em concentrações baixas, o gás é inodoro, mas em concentrações suficientemente elevadas, apresenta um odor ácido e acentuado. À temperatura e pressão normais, a densidade do dióxido de carbono é de aproximadamente 1,98 kg/m3 , aproximadamente 1,67 vezes a densidade do ar.

O dióxido de carbono não tem estado líquido a uma pressão inferior a 5,1 atmosfera padrão (520 kPa). A 1 atmosfera (perto da pressão média ao nível do mar), o gás irá depositar-se directamente num sólido a temperaturas inferiores a -78,5 °C (-109,3 °F; 194,7 K) e o sólido irá sublimar-se directamente num gás acima de -78,5 °C. O gás será então libertado para a atmosfera a temperaturas inferiores a -78,5 °C (-109,3 °F; 194,7 K). No estado sólido, o dióxido de carbono é geralmente referido como gelo seco.

O dióxido de carbono líquido forma-se apenas a uma pressão superior a 5,1 atm; o ponto triplo do dióxido de carbono é de cerca de 5,1 bar (517 kPa) a 217 K (ver diagrama de fases). O ponto crítico é de 7,38 MPa a 31,1 °C. Outra forma de dióxido de carbono sólido que é observada a alta pressão é um sólido vítreo amorfo. Esta forma de vidro, chamada carbonia, é obtida pelo resfriamento do CO
2 a pressão extrema (40-48 GPa ou cerca de 400.000 atmosfera) numa bigorna diamantada. Esta descoberta confirmou a teoria de que o dióxido de carbono poderia existir num estado de vidro semelhante ao de outros membros da família elementar, como o silício (vidro de quartzo) e o dióxido de germânio. Ao contrário dos vidros de sílica e de germânia, no entanto, o vidro de carbonia não é estável à pressão normal e retorna ao gás quando a pressão é aliviada.

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Em temperaturas e pressões acima do ponto crítico, o dióxido de carbono se comporta como um líquido supercrítico chamado dióxido de carbono supercrítico. Neste estado (a partir de 2018) passa a produzir electricidade.

O dióxido de carbono pode ser extraído do ar por destilação, mas o processo é ineficiente. Do ponto de vista industrial, o dióxido de carbono é principalmente um produto residual não utilizado que é gerado por diferentes métodos e que pode ser utilizado em diferentes escalas.

A combustão de todos os combustíveis à base de carbono, como o metano (gás natural), destilados de petróleo (gasolina, gasóleo, querosene, propano), carvão, madeira e compostos orgânicos genéricos produz dióxido de carbono e, excepto no caso do carbono puro, água. Por exemplo, a reação química entre metano e oxigênio:

CH4 + 2 O2→ CO2+ 2 H2O

É produzido por decomposição térmica de calcário, CaCO, etc, por aquecimento (calcinação) a cerca de 850 °C (1 560 °F) na produção de cal viva (óxido de cálcio, CaO), um composto que é utilizado em muitas aplicações industriais:

CaCO3→ CaO + CO2

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Em um alto-forno, o ferro de seus óxidos é reduzido usando coque, produzindo ferro-gusa e dióxido de carbono:

O dióxido de carbono é um subproduto da produção industrial de hidrogénio através do reforming a vapor e da reacção de deslocação do gás de água na produção de amoníaco. Estes processos começam com a reação da água e do gás natural (principalmente metano). Trata-se de uma fonte importante de dióxido de carbono com segurança alimentar para utilização na carbonatação de cerveja e refrigerantes e é também utilizada em animais intoxicantes, como as aves de capoeira. No verão de 2018, a Europa enfrentou uma escassez de dióxido de carbono para estes fins, devido ao encerramento temporário de várias instalações de manutenção do amoníaco.

Os ácidos liberam CO2 da maioria dos carbonatos metálicos. Consequentemente, pode ser obtido diretamente a partir de fontes naturais de dióxido de carbono, onde é produzido pela acção de água acidificada sobre calcário ou dolomite. A reação entre o ácido clorídrico e o carbonato de cálcio (calcário ou calcário) é apresentada a seguir:

CaCO3+ 2 HCl → CaCl2+ H2CO3

Dióxido de carbono (H2CO3) então decompõe-se em água e CO2:

H2CO3→ CO2+ H2O

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Estas reações são acompanhadas de formação de espuma ou de formação de bolhas ou de ambas quando o gás é libertado. São amplamente utilizados na indústria porque podem ser utilizados para neutralizar os fluxos de resíduos.

O dióxido de carbono é um subproduto da fermentação do açúcar no fabrico de cerveja, whisky e outras bebidas alcoólicas e na produção de bioetanol. A levedura digere o açúcar para reduzir as emissões de CO e etanol, também conhecido como álcool, como se segue:

C6H12O6 → 2CO2+ 2C2H5OH

Todos os organismos aeróbicos produzem CO2 quando oxidam hidratos de carbono, ácidos gordos e proteínas. A multiplicidade de reacções é extremamente complexa e não é fácil de descrever. Ver (respiração celular, respiração anaeróbica e fotossíntese). A equação para a respiração de glicose e outros monossacarídeos é:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

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Os organismos anaeróbios decompõem a matéria orgânica que produz metano e dióxido de carbono juntamente com vestígios de outros compostos. Independentemente do tipo de matéria orgânica, a produção de gases segue um padrão cinético precisamente definido. Cerca de 40-45% do dióxido de carbono consiste no gás produzido pela degradação do aterro (o chamado gás de aterro). A maioria dos restantes 50-55% é metano.

O dióxido de carbono é utilizado nas indústrias alimentar, petrolífera e química. O composto tem muitas aplicações comerciais, mas uma das maiores aplicações químicas é a produção de bebidas gaseificadas; acrescenta brilho às bebidas gaseificadas, como a água gasosa, a cerveja e o vinho espumante.

Quais são as utilidades do CO2?

Produtos químicos

Na indústria química, o dióxido de carbono é principalmente utilizado como constituinte na produção de ureia, enquanto uma proporção menor é utilizada na produção de metanol e de uma série de outros produtos, tais como carbonatos metálicos e bicarbonatos.

Para além dos processos convencionais em que o CO2 é utilizado para a produção química, os métodos electroquímicos também são investigados a nível da investigação. A utilização de energias renováveis para a produção de combustíveis a partir de CO2 (por exemplo, metanol) é particularmente atraente, uma vez que pode conduzir a combustíveis fáceis de transportar e de utilizar em tecnologias de combustão convencionais, mas que não emitem CO2.

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Bebidas

O dióxido de carbono é utilizado para produzir refrigerantes gasosos e água com gás. Tradicionalmente, a cerveja e o vinho espumante têm sido carbonizados por fermentação natural, mas muitos fabricantes carbonizam estas bebidas com dióxido de carbono produzido pelo processo de fermentação. Para as cervejas engarrafadas e de pressão, o método mais utilizado é a carbonatação com dióxido de carbono reciclado. Com exceção da cerveja real britânica, a cerveja em barril é geralmente transferida de barris em uma câmara fria ou adega para barris com dióxido de carbono sob pressão, às vezes misturada com nitrogênio.

Viticultura

O dióxido de carbono sob a forma de gelo seco é frequentemente utilizado durante a fase da semana fria da vinificação para arrefecer as uvas logo após a vindima e evitar a fermentação espontânea por levedura selvagem. A principal vantagem de utilizar gelo seco sobre o gelo de água é que arrefece as uvas sem adicionar água extra, o que pode reduzir o teor de açúcar no mosto de uva e, consequentemente, o teor de álcool no vinho acabado. O dióxido de carbono também é usado para criar um ambiente hipóxico para a maceração do dióxido de carbono, o processo utilizado para fazer o vinho Beaujolais.

O dióxido de carbono é por vezes utilizado para encher garrafas de vinho ou outros recipientes de armazenamento, tais como barris, para evitar a oxidação, mas tem o problema de se dissolver no vinho, permitindo que um vinho que anteriormente ainda estava em repouso borbulhe facilmente. É por isso que os enólogos profissionais preferem outros gases como o nitrogênio ou o argônio para este processo.

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Sedativo de animais

O dióxido de carbono é frequentemente utilizado para “atordoar” os animais antes de serem abatidos. Isto pode ser um erro, porque os animais não são imediatamente desligados e podem entrar em sofrimento.

Gás inerte

É um dos gases comprimidos mais utilizados para sistemas pneumáticos (comprimidos) em equipamentos de pressão portáteis. O dióxido de carbono também é usado como uma atmosfera de soldagem, embora ele reaja no arco para oxidar a maioria dos metais. A sua utilização na indústria automóvel é generalizada, apesar de indicações importantes de que a soldadura por dióxido de carbono é mais frágil do que a soldadura em atmosferas mais inertes, apesar de indicações importantes de que é utilizado como gás de soldadura, principalmente porque é muito mais barato do que gases inertes como o argónio ou o hélio. A sua utilização é também denominada soldadura MAG, para gás metalo-ativo, porque o CO2 pode reagir a estas temperaturas elevadas. Ele tende a produzir um lago mais quente do que atmosferas inertes reais, o que melhora as propriedades de fluxo. No entanto, isto pode ser devido a reações atmosféricas no sistema de poças. Este é geralmente o oposto do efeito desejado ao soldar, pois tende a derreter o local, mas não pode ser um problema para a soldagem geral de aços macios, onde a ductilidade final não é um grande problema.

É utilizado em muitos produtos de consumo que necessitam de gás comprimido porque é barato e não inflamável e porque sofre uma transição de fase de gás para líquido a uma pressão viável de cerca de 60 bar (870 psi, 59 atm) à temperatura ambiente, de modo que muito mais dióxido de carbono cabe num determinado recipiente do que seria de outro modo o caso. Os coletes salva-vidas muitas vezes contêm latas de dióxido de carbono sob pressão para uma inflação rápida. As cápsulas de CO2-alumínio também são vendidas como fornecimento de gás comprimido para pistolas de ar, marcadores/pistolas de paintball, pneus infláveis de bicicleta e para a produção de água gaseificada. A evaporação rápida do dióxido de carbono líquido é usada para jateamento em minas de carvão, onde altas concentrações de dióxido de carbono também podem ser usadas para controle de pragas. O dióxido de carbono líquido é usado na secagem supercrítica de certos alimentos e materiais tecnológicos, na preparação de amostras para microscopia eletrônica de varredura e na separação de grãos de café em cafeína.

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Extintores de incêndio

O dióxido de carbono pode ser usado para extinguir chamas, inundando o ambiente ao redor da chama com o gás. Ela própria não reage à extinção da chama, mas morre de fome da chama de oxigénio deslocando-a. Alguns extintores de incêndio, especialmente para incêndios elétricos, contêm dióxido de carbono líquido sob pressão. Os extintores de dióxido de carbono funcionam bem em pequenos incêndios líquidos inflamáveis e elétricos, mas não em incêndios normais inflamáveis, porque excluem as substâncias em combustão do oxigênio, mas não as resfriam substancialmente, e quando o dióxido de carbono é disperso, eles são livres para inflamar em contato com o oxigênio no ar. A sua utilidade num incêndio eléctrico deriva do fato de, ao contrário da água ou de outros métodos químicos, o dióxido de carbono não provocar um curto-circuito, resultando em mais danos no equipamento.

Por ser um gás, também é fácil liberar automaticamente grandes quantidades do gás em espaços de infraestrutura de TI onde a lareira é de difícil acesso, mesmo com métodos mais diretos, pois está localizada atrás de prateleiras e em malas. O dióxido de carbono é também frequentemente utilizado como agente extintor em sistemas fixos de protecção contra incêndios para aplicação local de perigos específicos e para a inundação completa de uma área protegida. As normas da Organização Marítima Internacional também reconhecem sistemas de dióxido de carbono para proteção contra incêndios em porões de navios e salas de máquinas. Os sistemas de protecção contra incêndios à base de dióxido de carbono têm sido associados a várias mortes, uma vez que podem causar asfixia em concentrações suficientemente elevadas. Uma revisão dos sistemas de CO2 entre 1975 e a data do relatório (2000) identificou 51 incidentes, resultando em 72 mortos e 145 feridos.

CO2 supercrítico como solvente

O dióxido de carbono líquido é um bom solvente para muitos compostos orgânicos lipofílicos e é usado para remover a cafeína do café. O dióxido de carbono tem atraído a atenção das indústrias farmacêutica e de processamento químico como uma alternativa menos tóxica aos solventes convencionais, como os organoclorados. Por esta razão, também é usado por alguns limpadores químicos. É utilizado na produção de alguns aerogeles devido às propriedades do dióxido de carbono supercrítico.

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Aplicações agrícolas e biológicas

As plantas precisam de dióxido de carbono para realizar a fotossíntese. As atmosferas com efeito de estufa podem (se forem grandes, devem ser enriquecidas com CO2 extra para manter e aumentar o crescimento das plantas). Em concentrações muito elevadas (100 vezes a concentração atmosférica ou superior), o dióxido de carbono pode ser tóxico para a vida animal, pelo que aumentar a concentração para 10.000 ppm (1%) ou mais durante várias horas eliminará pragas como moscas brancas e ácaros-aranha numa estufa.

Tem sido sugerido que o CO2 proveniente da geração de energia em lagoas deve ser borbulhado para promover o crescimento de algas, que podem então ser convertidas em biodiesel.

Aplicações médicas e farmacológicas

Na medicina, até 5% de dióxido de carbono (130 vezes a concentração de ar) é adicionado ao oxigênio para estimular a respiração após a apneia e para estabilizar o O.
2/CO2 no sangue.

O dióxido de carbono pode ser misturado com até 50% de oxigênio para formar um gás inalável; isso é chamado de rodovia e é usado em uma variedade de aplicações médicas e de pesquisa.

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Remoção de óleo

O dióxido de carbono é usado para melhorar a recuperação de petróleo, onde é injetado em ou ao lado da produção de poços de petróleo, geralmente sob condições supercríticas quando se torna miscível com o petróleo. Esta abordagem pode aumentar a recuperação original do petróleo, reduzindo a saturação restante do petróleo em 7% a 23%, para além da produção primária. Atua como meio de pressão e quando dissolvido no petróleo bruto subterrâneo, reduz significativamente a sua viscosidade e altera a composição química da superfície, permitindo que o óleo flua mais rapidamente através do reservatório para o poço de extracção. Nos campos de petróleo maduros, são utilizados extensos oleodutos para transportar o dióxido de carbono para os pontos de alimentação.

Refrigerantes

O dióxido de carbono líquido e sólido são importantes refrigerantes, especialmente na indústria alimentar, onde são utilizados para o transporte e armazenamento de gelo e outros produtos congelados. O dióxido de carbono sólido é chamado de “gelo seco” e é usado para pequenas remessas onde o equipamento de refrigeração não é adequado. O dióxido de carbono sólido é sempre inferior a -78,5°C (-109,3°F) à pressão atmosférica normal, independentemente da temperatura do ar.

O dióxido de carbono líquido (nomenclatura industrial R744 ou R-744) foi usado como refrigerante antes da descoberta do R-12 e pode passar por um renascimento porque o R134a contribui mais para a mudança climática do que o CO2. As propriedades físicas são muito benéficas para o resfriamento, resfriamento e aquecimento e têm uma alta capacidade de resfriamento volumétrico. Devido à necessidade de operar em pressões de até 130 bar (1880 psi), os sistemas de CO2 exigem componentes altamente resistentes que já foram desenvolvidos para produção em massa em muitas áreas. No ar condicionado de veículos, o R744 é mais eficiente do que os sistemas R134a em mais de 90% de todas as condições de condução para latitudes acima de 50°. Os benefícios ambientais poderiam fazer dele o futuro fluido de trabalho para substituir os atuais HFC em automóveis, supermercados e caldeiras de bombas de calor, entre outros. A Coca-Cola utiliza refrigeradores de bebidas à base de CO2 e o Exército dos EUA está interessado na tecnologia de refrigeração e aquecimento de CO2.

Espera-se que a indústria automotiva global decida sobre a próxima geração de refrigerantes no ar condicionado de veículos. O CO2 é uma das opções discutidas.

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