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Valências Ambientais em Engenharia Química:

A Engenharia de Processos Químicos ao Serviçode um Ambiente Antropocêntrico de Qualidade

Clemente Pedro NunesProfessor Catedrático do IST/DEQB

Gestor de empresas

IST/Engenharia do Ambiente8/Abril/2011

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1. Conceitos introdutórios e algumas reflexões fundamentais

2. A importância estratégica da Engenharia dos Processos Químicos e Biológicos para a prevenção e resolução de problemas ambientais

2.1 - Os meios analíticos necessários para o conhecimento cientificamente rigoroso das situações existentes.

2.2 - A lógica processual da “valorização” dos diferentes produtos num quadro estratégico “antropocêntrico”.

2.3 - O conceito alargado da estratégia de optimização integrada de processos químicos e biológicos e a optimização ambiental.

2.4 - Os equipamentos e processos químicos que visam o tratamento, remediação e eventual reutilização de efluentes e resíduos.

Índice de Matérias

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3. Alguns exemplos de tecnologias de processos químicos de grande importância e actualidade ambiental:

3.1 - A Integração Energética de Processos (Pinch Technology), a optimização do consumo de energia e a consequente redução das emissões de CO2.

3.2 - A optimização dos circuitos de utilização de água (Water Pinch e MEN), incluindo processos de regeneração, tratamento, e eventual reutilização de efluentes aquosos.

3.3 - A produção e utilização optimizada de Biocombustíveis: a Biomassa, o Biodiesel e o Bioetanol.

3.4 - As questões tecnológicas ligadas à separação, captura e sequestro de CO2: um desafio para a engenharia de processos químicos.

4. Conclusões e Desafios

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1 – Conceitos Introdutórios e algumas Reflexões Fundamentais

• Ambiente antropocêntrico O Homem como referência central do

desenvolvimento económico ambientalmente sustentável

• Engenharia dos Processos Químicos e Biológicos “Os Processos Químicos e Biológicos são uma

sequência estrategicamente optimizada de transformações físicas, químicas e/ou biológicas que visam obter duma forma economicamente competitiva e ambientalmente sustentável um determinado produto final a partir duma “matéria-prima” ou produto inicial”

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2 – A importância estratégica da Engenharia dos Processos Químicos e Biológicos para a prevenção e resolução de problemas ambientais

2.1 - Os meios analíticos necessários, em termos químicos e biológicos, para o conhecimento cientificamente rigoroso das situações existentes

• A legislação aplicável;

• Os métodos e equipamentos de análise;

• Os procedimentos analíticos e as normas para recolha de amostras estatisticamente relevantes;

• Os resultados analíticos;

• A interpretação estratégica dos resultados obtidos em termos das medidas processais a tomar.

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2.2 - A lógica processual da “valorização” dos diferentes produtos num quadro estratégico “antropocêntrico”

• Os produtos são “úteis” quando se inserem numa “lógica”, ou seja, num quadro estratégico processual em que permitem criar “valor” para o Homem.

• Exemplo: Um monte de estrume numa sala de aula é um insulto à dignidade académica porque prejudica os professores, os alunos e a salubridade ambiente.

Todavia, esse mesmo monte de estrume, num canteiro de jardim do IST, é uma forma de fazer florescer a vida académica e a qualidade de vida de alunos e professores.

Ou seja, o monte de estrume no canteiro do jardim tem uma “lógica estratégica antropocêntrica”, mas no chão da sala de aula não tem.

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2.2 - (Continuação)

• O objectivo dos engenheiros de processo é o de, quando necessário, darem uma “lógica antropocêntrica” a produtos “desenquadrados”, desenvolvendo lógicas processuais em que esses produtos possam “acrescentar valor”.

• Como dizia Lavoisier: “nada se perde tudo se transforma”, pelo que as transformações têm que ser as adequadas tanto em termos tecnológicos, como económicos e ambientais, para que o novo processo possa “criar valor” no enquadramento existente.

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2.3 – O conceito alargado da estratégia de optimização integrada de processos químicos e biológicos e a optimização ambiental

Nos últimos 40 anos, o conceito de estratégia de processos químicos e biológicos foi-se alargando progressivamente de forma a incluir todos os “inputs” no processo, bem como todos os subprodutos e efluentes a jusante.

Ou seja, o moderno conceito de integração de processos, que surgiu a partir do início da década de oitenta do século XX, passou a incluir progressivamente a optimização dos consumos energéticos, do consumo de água, bem como de todas as adaptações internas ao processo que impliquem com a quantidade ou qualidade dos efluentes produzidos.

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2.3 – (Continuação)

Assim, uma operação unitária de separação, ou um reactor, têm que ser projectados tendo em atenção todos os subprodutos, ou mesmo as purgas que se revelem necessárias, optimizando-se desde logo e à partida todos os constrangimentos eventualmente existentes de forma a obter-se um processo o mais competitivo possível em termos tecnológicos e económicos, mas respeitando o quadro da legislação ambiental existente.

A “sabedoria” dum novo processo é valorizar as purificações tornadas necessárias, por exemplo valorizando economicamente “contaminantes” que anteriormente iam para o esgoto, mas que devidamente separados e/ou transformados podem ter um valor processual positivo.

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2.4 – Os equipamentos de processos químicos que visam o tratamento, remediação e eventual reutilização de efluentes e resíduos

Os efluentes produzidos, mesmo após as optimizações processuais, bem como os resíduos/efluentes de outras actividades, como domésticas, de comércio/serviços e de transporte, são tratadas por processos e equipamentos de engenharia química.

Unidades de crivagem, filtração, decantação, fermentação

e compostagem de resíduos são todos equipamentos de processos de engenharia química e biológica. Por isso, unidades como ETARs (Estações de Tratamento de Águas Residuais) e estações de tratamento de resíduos urbanos são unidades de processos químicos e biológicos, conceptualmente iguais a qualquer outro, tendo por isso que se definir à partida quais as características e utilização dos produtos finais a obter.

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3 – Alguns Exemplos de Tecnologias de Processos Químicos de grande importância e actualidade ambiental

3.1 – A Integração Energética de Processos (Pinch Technology), a optimização do consumo de energia e a consequente redução das emissões de CO2

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O que é a Integração de Processos (IP) ?

• A Integração de Processos visa aproveitar, da melhor forma possível, o balanço de energia existente no próprio processo, de forma a optimizar a utilização das utilidades exteriores (quentes e frias);

• Baseia-se em princípios científicos elementares, permitindo a optimização energética de um processo industrial, bem como melhorar a sua eficiência ambiental, através da recirculação mais adequada de sub-produtos e efluentes;

• Permite analisar quer processos de elevada complexidade, quer unidades de pequenas dimensões, a funcionarem em regime contínuo ou descontínuo;

• É possível aplicar esta tecnologia à generalidade das indústrias, em sectores tão distintos como o têxtil e o agro-alimentar;

• Após a sua aplicação, verificam-se reduções substanciais no investimento de processos em fase de projecto. Esta tecnologia torna-se também bastante importante na reconversão de unidades já instaladas.

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Alguns Conceitos Básicos:

• Corrente Fria:Corrente processual cuja temperatura necessita de aumentar e/ou onde ocorre uma mudança de estado por absorção de calor.

• Corrente Quente:Corrente processual cuja temperatura necessita de diminuir e/ou onde ocorre uma mudança de estado com libertação de calor.

• Utilidades Externas:Fluidos exteriores ao processo que permutam directamente com as correntes do processo de forma a fornecer-lhes ou retirar-lhes entalpia. Podem ser quentes (vapor de água, fluidos quentes, efluentes gasosos, gases de combustão, etc.) ou frias (água de refrigeração, ar atmosférico, ou outro tipo de fluido de arrefecimento).

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Considere-se o seguinte processo (Exemplo 1):

210ºC 270ºC

Alimentação

do Reactor

50ºCReactor

Col

un

a

de D

estil

açã

o

160ºC

Condensador

130ºC

Compressor

160ºC

210ºC

210ºC

220ºC

Vaporizador

220ºC 60ºC

Efluente Reaccional

Produto Final

Recirculação

N.º permutadores de calor: 4

Consumo energético: 11 200 kW

Corrente quente

Corrente quente

Corrente fria

Corrente fria

UQ

3 200 kW

UF

1 980 kW

3 520 kW

2 500 kW

UQ

UF

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• É essencial identificar correctamente as necessidades de aquecimento, arrefecimento, condensação e vaporização das correntes do processo.

Operação A Operação B?Ti Tf

Ti > Tf => Arrefecimento

Ti < Tf => Aquecimento

Ti = Tf => Condensação ou Vaporização

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• Dados necessários para caracterizar as correntes do processo e utilidades exteriores disponíveis:

– Ti Temperatura inicial;

– Tf Temperatura final pretendida;

– M Caudal mássico; – Cp Calor específico médio;– MCp Capacidade calorífica média (= M x Cp);

– ∆HVap. Entalpia de vaporização se ocorrer mudança de fase;

– h Coeficiente de transferência de calor.

Nota: O valor de Cp geralmente varia com a temperatura. É essencial

saber em que zonas se pode considerar constante.

Se Cp não for constante, consideram-se pequenos intervalos nos quais o seu valor se pode considerar independente da temperatura.

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Curvas Compostas

• Estas curvas são representações das correntes num diagrama Temperatura / Entalpia.

• Permitem avaliar as necessidades entálpicas do conjunto das correntes do processo. Isto é, determinar:

– Quantidade de energia máxima que é possível recuperar por transferência de calor entre as correntes do processo;

– Quantidade mínima de calor exterior a fornecer ao processo através de uma utilidade quente: QUtil. Quente;

– Quantidade mínima de calor a retirar do processo, através de uma utilidade fria: QUtil. Fria.

• Na sua construção assume-se que o valor de MCp é constante.

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Construção da Curva Composta Quente / Fria do processo:

1. Divide-se o eixo das temperaturas em intervalos, que são definidos pelas temperaturas de entrada e saída das correntes;

2. Em cada um desses intervalos as correntes Quentes / Frias do processo são combinadas considerando:

• MCp em cada intervalo é igual à soma dos MCp individuais das correntes Quentes / Frias existentes nesse intervalo;

3. Representa-se no diagrama Temperatura / Entalpia, os

valores de entalpia determinados pelo produto do somatório dos MCp pela diferença de temperatura em cada intervalo.

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•Correntes quentes e Curva Composta Quente do processo referido no Exemplo 1.

0

30

60

90

120

150

180

210

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

∆H (kW)

T (

ºC)

Curva Composta Fria

MCp = 20 kW/ºC

MCp = 70 kW/ºC

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

∆H (kW)

T (

ºC)

Curva Composta Quente

MCp = 22 kW/ºC

MCp = 18 kW/ºC

MCp = 40 kW/ºC

•Correntes frias e Curva Composta Fria do processo referido no Exemplo 1.

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• Representando a Curva Composta Quente e Fria no mesmo diagrama Temperatura / Entalpia verifica-se que:

– Se aproximam mais entre si para um determinado intervalo de temperaturas, designado por ∆Tmin;

– As duas curvas podem ser aproximadas uma da outra, por translação horizontal da CCF, i.e., diminuindo o valor de ∆Tmin;

– Fixando o valor de ∆Tmin, ou a posição relativa das curvas, é possível determinar a quantidade mínima de utilidades exteriores: QUtil. Quente e QUtil. Fria.

Para o processo referido no Exemplo 1

0

50

100

150

200

250

300

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Entalpia (kW)

Tem

per

atu

ra (

ºC)

∆Tmin= 20ºC

QUtil. Fria=800 kW

QUtil. Quente=1000 kW

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Na Zona Abaixo do PE:

• Todas as correntes frias são aquecidas por transferência de calor com as correntes quentes do processo;

• É necessário retirar energia do sistema, através da utilidade fria.

Zona Fonte de Calor

Entalpia (kW)

Tem

pera

tura

(ºC

)

QUtil. Quente

QUtil. Fria

Ponto de Estrangulamento

Absorvedora de Calor

Fonte de Calor

Na Zona Acima do PE:• As correntes quentes

transferem todo o calor disponível para aquecer as correntes frias do processo;

• É necessário recorrer a energia do exterior, através da utilidade quente, para satisfazer as necessidades residuais das correntes frias.

Zona Absorvedora de Calor

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N.º permutadores de calor: 7Consumo energético: 1800 kW

Redução Custos Totais: 50%

210ºC 270ºC

Alimentaçãodo Reactor

Reactor

Col

una

de

Des

tilaç

ão

160ºC

Condensador

130ºC

Compressor

177,6ºC

210ºC

190ºC

220ºC

Vaporizador

220ºCProduto Final

235,6ºC

160ºC

180ºC

160ºC

80ºC60ºC

180ºC

50ºC

Processo (Exemplo 1) após aplicação da Integração de Processos:

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3.2 – A optimização dos circuitos de utilização de água (water pinch e MEN), incluindo processos de regeneração, tratamento, e eventual reutilização de efluentes aquosos

•A água é um recurso natural muito importante e a sua utilização é regulada por políticas ambientais muito apertadas e pelos custos crescentes da água fresca e do tratamento dos efluentes aquosos.

•Uma forma de se reduzir o consumo de água e a produção de efluentes aquosos consiste na modificação da estrutura dos processos industriais ou dos respectivos equipamentos.

•A necessidade de optimizar as redes de consumo de água e a evolução dos conceitos de integração de processos, que ocorreu nas últimas décadas, permitiu o estabelecimento de metodologias e estratégias alternativas que permitem a redução do consumo de água fresca e da produção de efluentes aquosos.

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Água Fresca

Efluente

Reutilização Reciclagem com regeneração

Operação 1 Operação 2 Regeneração Operação 3

Estratégias para reduzir o consumo de água fresca e a produção de efluentes aquosos aquando da aplicação da Integração de Processos

Operação 1

Operação 2

Regeneração

Água Fresca

Regeneração

Operação 1

Água Fresca

Operação 1

Água Fresca

Operação 2

Reutilização Reutilização com Regeneração

Reciclagem com Regeneração

Para processos mais complexos existe a necessidade de se combinar a reciclagem com a reutilização. Esta estratégia chama-se Reciclagem e Reutilização com Regeneração.

Exemplo:

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Mass pinch e redes de transferência de massa (MEN)

As estratégias apresentadas no slide anterior devem ser analisadas e avaliadas em duas fases:

•Fase de targeting Utiliza algoritmos baseados na análise pinch para obter o

consumo mínimo de água fresca e a produção mínima de efluentes.

A análise de mass pinch é análoga à utilizada para transferência de calor.

No caso específico da determinação do consumo mínimo de água, esta análise também se pode chamar water pinch.

•Fase de design Utiliza os valores das metas estabelecidas na fase de targeting

para efectuar o design de redes de transferência de massa (MEN, Mass Exchange Networks) optimizadas.

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Cinicial(processo) Cfinal

(processo)

Ce (água)

Cs (água)

dCe dCs

Operação X

• De acordo com o programa AquoMin, numa operação, por exemplo de extracção líquido-líquido, existe a necessidade de transferir massa de um componente (contaminante) de uma corrente rica para uma corrente pobre nesse componente:

Δm = Q x ΔCΔm = Quantidade de massa a transferir Q = CaudalΔC = diferença de concentração (Cfinal-Cinicial)

Programa AquoMin

• O trabalho do Grupo de Integração de Processos do CPQ do DEQB/IST na área da minimização do consumo de água e da produção de efluentes levou ao desenvolvimento do software AquoMin.

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Exemplo de Aplicação do programa AquoMin

• Dados iniciais do problema com os valores limite de caudal e concentração para cada operação

•Rede de transferência de massa (MEN) sem reutilização

Permite determinar o valor mínimo necessário de água fresca para satisfazer todas as operações.

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• Para a reutilização de água, o AquoMin decompõe a fase de targeting em três

ferramentas diferentes:

Cascata de Transferência de Massa;

Diagrama de Fontes de Água;

Curva Composta Limite.

•Rede de transferência de massa (MEN) com reutilização: MEN optimizada

Permite minimizar a quantidade de água fresca necessária

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3.3 – A produção e utilização optimizada de Biocombustíveis: a Biomassa, o Biodiesel e o Bioetanol

a) A utilização optimizada de Biomassa

Em Portugal, a produção e utilização optimizada de Biomassa Florestal reverte-se de grande importância tanto económica, como energética e ambiental.

Dada a elevada percentagem do território de Portugal Continental ocupada por florestas, nomeadamente de pinheiros e eucalipto, é muito importante conseguir-se a viabilização da utilização energética da biomassa proveniente da limpeza dos pinhais, bem como do desbaste dos troncos suplementares dos eucaliptos nascidos após o primeiro corte.

De facto, a optimização de tecnologias de queima destes resíduos florestais permitirá a produção de electricidade e calor em unidades de cogeração, substituindo assim combustíveis fósseis, …

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…actualmente importados com graves consequências para a Balança de Transacções Correntes de Portugal.

• Esse aproveitamento energético de subprodutos florestais permitirá também, duma forma virtuosa e auto-sustentada, o combate eficaz aos incêndios florestais, criando além disso preciosos empregos em vastas regiões do país que actualmente enfrentam uma perigosa desertificação humana e económica.

• Note-se que a Engenharia Química, através das Tecnologias de Integração de Processos, bem como do aperfeiçoamento tecnológico da queima destes tipos de combustíveis em caldeiras, terá aqui um impacto ambiental muito significativo não só pela redução da destruição provocada pelos fogos florestais, como também pelo efeito da redução das emissões líquidas de CO2.

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b) O Biodiesel

O biodiesel, ou seja, os ésteres de origem vegetal com características semelhantes ao gasóleo e utilizado como combustível especialmente em veículos de transporte com motor a diesel, é obtido por um processo químico que tem como matérias-primas originais diversos tipos de sementes oleaginosas.

A etapa principal deste processo inclui normalmente uma reacção de “transesterificação” em que o óleo vegetal é feito reagir com uma base forte, tal como o hidróxido de sódio.

O biodiesel é assim uma forma de energia renovável, dado que os respectivos átomos de carbono provêm da “decomposição” do CO2 da atmosfera por acção da fotossíntese .

É assim uma forma de se obter uma fonte de energia, reduzindo significativamente a emissão “líquida” de CO2 para a atmosfera, se a compararmos com o uso de gasóleo proveniente do petróleo.

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c) O Bioetanol

O bioetanol é um biocombustível obtido normalmente por processos bioquímicos, dado que o etanol provem da fermentação, ou reacção enzimática, de compostos químicos renováveis, como os amidos e os açúcares.

Embora hoje exista um grande número de processos industriais aplicáveis para o efeito, os mais competitivos, tanto sob o ponto de vista económico como ambiental, são os que incluem não só a integração de processos como também a valorização energética dos resíduos de matérias-primas tais como as palhas dos cereais, a biomassa residual da cana do açúcar e ainda os subprodutos do próprio processo fermentativo.

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3.4 – As questões tecnológicas ligadas à separação, captura e sequestro / armazenagem do CO2: um desafio para a engenharia de processos A crescente evidência científica de que o aumento do teor de CO2 na atmosfera, com origem sobretudo na utilização humana dos combustíveis fósseis, está a fazer aumentar a temperatura da atmosfera terrestre, tem dado origem nos últimos anos ao estudo de processos químicos que permitam separar o CO2 dos restantes efluentes gasosos provenientes das centrais termoeléctricas e de outros processos industriais, de transporte ou agrícolas.

A grande questão é que, ao contrário da separação de SO2 para a qual foi possível desenvolver operações unitárias bastante eficazes e relativamente económicas, para o CO2 a respectiva separação é bastante cara e nem sempre globalmente sustentável mesmo sob o ponto de vista ambiental.

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Vejamos muito sucintamente alguns destes processos de separação de CO2, a partir dos efluentes gasosos de unidades termoeléctricos e de transporte:

a) Absorção física

Utiliza solventes que absorvem selectivamente o CO2. Tal é o caso, por exemplo, do processo Rectisol que utiliza metanol como solvente. Só que as temperaturas muito baixas da operação (inferior a -50ºC) torna o processo muito caro e praticamente inviável para as quantidades de CO2 envolvidas.

b) Absorção química

Exige um arrefecimento prévio da corrente a purificar, bem como uma remoção das partículas e impurezas que possam também reagir com o agente de separação. Este pode ser amónia, uma amina ou um solvente inorgânico.

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c) Adsorção

A adsorção é um fenómeno pelo qual certas moléculas presentes num fluído se concentram espontaneamente sobre uma superfície sólida altamente porosa. As forças intermoleculares estabelecidas entre gases, como o CO2, e estas superfícies, quando são suficientemente selectivas, permitem a sua separação por adsorção.

Para o efeito já se usam em certos casos processos industriais como o PSA (Pressure Swing Adsorption), o TSA (Temperature Swing Adsorption), e o ESA (Electric Swing Adsorption), cujos principais constrangimentos à operação requerida são os elevados custos energéticos envolvidos, bem como a insuficiente selectividade para os restantes componentes dos efluentes gasosos.

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d) Processos de membranas

Estão actualmente em desenvolvimento processos de separação por membranas que se baseiam na diferença de permeabilidade dos componentes dos fluidos através de uma membrana que pode ser polimérica ou inorgânica (cerâmica).

Trata-se de processos que estão ainda numa fase laboratorial / piloto e que terão ainda que provar a sua viabilidade comercial.

e) As florestas como sumidouros de CO2

As espécies florestais de elevado crescimento são consideradas por alguns especialistas como a melhor forma de remoção de CO2 da atmosfera.

O objectivo é conseguir que a genética de algumas plantas reforce a eficiência da função clorofila, ou seja, da absorção pelas plantas de CO2 com retenção do carbono e posterior queima da biomassa florestal, substituindo assim o consumo de combustíveis fósseis.

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4 – Conclusões e Desafios

A Engenharia de Processos Químicos e Biológicos, como se procurou demonstrar nesta apresentação, é fundamental para assegurar um desenvolvimento económico ambientalmente sustentável em termos antropocêntricos.

Mais ainda, a Engenharia de Processos Químicos e Biológicos está no centro das capacidades de resolução de algumas das principais questões ambientais que actualmente se colocam à Humanidade.

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Bibliografia de apoio

Relvas S., Fernandes M.C. Matos H.A., Nunes C.P., “Integração de Processos: Uma metodologia de optimização energética e ambiental”, Dezembro 2002.

Relvas S., Matos H.A. , Fernandes M.C., Castro P., Nunes C.P., “AquoMin: A software tool for Mass-Exchange Networks targeting and design”, Computers and Chemical Engineering, 32(6) (2008) 1085-1105.(já disponível online em www.sciencedirect.com)