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MeioBit Explica: como funciona uma usina de oxigênio

Como funciona uma usina de oxigênio? É tão caro ou difícil? Será tecnologia da NASA? Leia e aprenda como produzimos o gás que salva vidas

31 semanas atrás

Estamos vivendo tempos conturbados, com o COVID-19, e um elemento fundamental no tratamento dos pacientes depende de uma unidade industrial que a maior parte do tempo passa despercebida: A usina de oxigênio.

Não é uma boa idéia. (Crédito: Inhabitat.com)

Para a maioria das pessoas o ar normal, com 20.9% de oxigênio é suficiente, mas quando você está com os pulmões comprometidos, precisa compensar isso de alguma forma. O corpo tenta respirar mais rápido e mais fundo, mas isso não resolve por muito tempo. A Ciência resolve aumentando a quantidade de oxigênio aspirado a cada inspiração, por mais que essa frase tenha ficado feia.

A questão é: De onde vem esse oxigênio? Com certeza não dá em árvores, ele precisa ser produzido em uma usina de oxigênio. Como funciona essa tecnologia? É complicado? A gente explica:

Oxigênio é um gás terrível. 2.4 bilhões de anos atrás ele começou a ser eliminado como subproduto de cianobactérias, o que levou ao envenenamento da atmosfera do planeta, oxidação generalizada e extinção em massa de incontáveis espécies. A Vida teve que começar de novo, se adaptando a partir das poucas espécies que conseguiam lidar com o oxigênio, mas Inês é morta, o crime já prescreveu e oxigênio é o que temos pra hoje.

Qualquer criança já brincou de eletrólise, produzindo hidrogênio e oxigênio em casa, mas apesar da facilidade não é esse o método preferido pelas indústrias. Eletrólise é um processo caro em termos de energia, hoje em dia as indústrias preferem métodos mais simples para suas usinas de oxigênio, os mais comuns são a produção pro adsorção e destilação criogênica. Às vezes os dois combinados.

Qual o problema de brincar com hidrogênio? (Crédito: Domínio público)

Adsorção

Adsorção é um método bem simples de purificar uma substância. É um princípio segundo o qual algumas superfícies são mais atraentes para algumas sustâncias do que outras. Sabe aonde você encontra isso? Em qualquer filtro de cozinha de carvão ativado.

As moléculas mais complexas ficam presas fisicamente nas ranhuras e microfissuras do carvão, já as moléculas de H20 passam de boa, por serem menores.

Diagrama de uma usina de oxigênio por adsorção da Air Liquide (Crédito: Air Liquide)

A adsorção pode ocorrer por meios mecânicos ou químicos. No caso da usina de oxigênio o ar é comprimido e passado por filtros que removem nitrogênio, CO2, CO, Argônio e vapor d´água. Esses filtros, os elementos adsorventes, são compostos de aluminosilicatos, minerais feios de alumínio, silício, oxigênio, e dependendo da variedade titânio, zinco, etc. A estrutura molecular desses minerais funciona como uma “peneira molecular”, prendendo alguns tipos de moléculas.

Um adsorvente muito conhecido de todo mundo: Silica Gel (Crédito: wikimedia commons)

Passando o ar por determinados tipos de adsorventes, consegue-se produzir oxigênio com pureza entre 90% e 95% mas se você precisa de mais pureza ainda, pode apelar pra destilação criogênica, um meio mais complicado mas igualmente eficiente.

Destilação Criogênica

Nesse caso primeiro o ar passa por vários filtros e peneiras moleculares, para se livrar da maior parte do material contaminante, como CO2, Água, Nitrogênio. Em seguida esse ar é resfriado aos poucos. Como diferentes elementos possuem diferentes pontos de ebulição, o oxigênio pode estar em estado líquido (ponto de ebulição 90.2 Kelvin) enquanto o nitrogênio já está na forma de gás (ponto de ebulição 77.4 Kelvin).

Recolher o oxigênio é trivial como abrir uma torneira, mas é sempre bom jogar o primeiro gole fora, há argônio no meio (ponto de ebulição 87.3 Kelvin)

Outros Meios

Nem toda usina de oxigênio usa esses dois métodos, que podem produzir por volta de 5 mil metros cúbicos de oxigênio por hora. Há uma tecnologia bem promissora que usa tecnologia de membranas, capazes de produzir oxigênio com mais de 90% de pureza, mas elas exigem temperaturas de operação bem altas, na casa de 900 graus Celsius. Por serem compactas elas são preferidas em situações como geradores de oxigênio em aviões.

Usina de oxigênio à venda na Ali Express. Sério. (Crédito: Ali Express)

Ah mas e a NASA?

Outro dia a Academia de Ciências do Fantástico soltou a notícia de que a NASA estaria disposta a abrir suas patentes de um gerador de oxigênio que estaria sendo projetado para futuras missões marcianas, e custaria R$50 mil para ser produzido.

A tecnologia em questão se chama MOXIE - Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, que pretende produzir oxigênio usando recursos locais em Marte. O robô Perseverance está levando um protótipo para testar a tecnologia.

MOXIE. (Crédito: NASA/JPL-Caltech)

O MOXIE utiliza eletrólise sólida, um método no qual um substrato cerâmico é aquecido, e desenvolve extrema afinidade com íons de oxigênio, O2– - aí quando ar marciano, composto primariamente de CO2 passa por esse substrato, as moléculas são divididas, se realinhando em CO e O2. O monóxido de carbono é jogado de volta na atmosfera, o oxigênio é armazenado.

É uma EXCELENTE solução. Para Marte. O MOXIE é uma tecnologia bem cara, experimental, e consome energia demais. A NASA planeja pousar em marte uma usina de oxigênio usando essa tecnologia que consumirá entre 23KW e 30KW e produzirá dois Kg de oxigênio por hora. Um metro cúbico de oxigênio a 1 atmosfera de pressão pesa 1.43Kg. Lembre-se, as usinas de adsorção produzem 5000 metros cúbicos por hora. A da NASA produzirá menos de dois.

Velas de Oxigênio

Esse não é um método usado para produzir oxigênio hospitalar, mas é deveras interessante, pois é um último recurso compartilhado por dois veículos que possuem muito pouco em comum: aviões e submarinos.

Tripulantes e passagens dos dois são, em geral, fãs de oxigênio. Aviões resolvem isso mantendo a pressão dentro da cabine a um máximo equivalente a uns 2Km de altitude. O ar externo é pressurizado, e o oxigênio é reposto, com o ar velho sendo expelido.

Submarinos mantém a pressão equivalente ao nível do mar, e usam filtros de CO2 e geradores de oxigênio. Em caso de problemas, os dois usam um último recurso: Acendem velas.

Vela de Oxigênio (Crédito: ABC Australia)

Calma, não é pra rezar, o que aliás é uma péssima idéia se você for o piloto. A vela em questão é uma vela especial, que quando queima, libera oxigênio.

Essas velas, que surgiram no tempo dos mineiros de carvão, usam uma reação química bem simples.

Basicamente clorato de sódio quando aquecido vira cloreto de sódio e libera oxigênio. Essa reação demanda bastante energia, que é conseguida com a queima de ferro em pó, que é uma reação de oxidação mas mesmo assim no final temos um superávit de oxigênio respirável:

2Fe + 3O2 → 2Fe2O3

(600 graus Celsius)

2NaClO3 → 2 NaCl + 3O2

Quando você puxa a máscara de emergência no avião, isso aciona um gatilho que inicia a queima da limalha de ferro dentro do gerador químico. A reação é imediata, não depende de eletricidade, circuitos eletrônicos, nada. É a mais pura química básica garantindo sua respiração.

Em submarinos as “velas” de oxigênio são usadas mesmo fora de emergências, quando não é conveniente emergir e por algum motivo o nível de oxigênio caiu demais. O Smarter Every Day tem um ótimo vídeo demonstrando o funcionamento delas.

Conclusão

Não há nada de outro mundo em uma usina de oxigênio, muitas plantas industriais possuem suas próprias usinas, algumas até geram oxigênio como subproduto, quando produzem seu próprio nitrogênio, usado para esterilizar tubulações. A escassez de oxigênio que infelizmente está causando mortes desnecessárias no Brasil e no mundo não é um problema tecnológico.

É um problema político, um problema de logística e um problema de falta de planejamento. É um problema de falta de vergonha na cara.

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