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A química por trás dos painéis solares e o funcionamento de um sistema fotovoltaico

Gean Barbosa de Melo — Thu, 14 Apr 2022 11:28:24 +0000

Atualmente, muito se fala de sistemas fotovoltaicos, que geram energia elétrica através da luz solar. Os painéis solares (imagem 1) possuem uma camada geradora feita de Silício com 99,9999% de pureza, ou superior, e contém três regiões: a superfície (semicondutor dopado tipo N), o meio (neutro) e a traseira (semicondutor dopado tipo P), como mostra a imagem 2.

Imagem 1: Painel solar; Fonte: Viva Decora

O Silício é um elemento da família 14 da tabela periódica, logo possui 4 elétrons em sua camada de valência. No processo de dopagem são inseridos átomos com mais ou menos elétrons na valência do que a espécie a ser dopada, sendo o Boro, que possui 3 elétrons, o mais comum para a dopagem positiva, ou de tipo P, e o Fósforo, com 5 elétrons, o mais comum para a dopagem negativa, ou de tipo N. A substituição de alguns átomos de Silício na placa por átomos de Boro origina pontos de falta de elétrons, enquanto por Fósforo gera pontos de excesso de elétrons, formando assim cargas positivas ou negativas ao longo de cada semicondutor.

Imagem 2: Junção dos semicondutores dos tipos N e P; Fonte: Green Sarawak (adaptado)

Apesar de os semicondutores não conduzirem tão bem corrente elétrica, a proximidade de cargas opostas inicia um pequeno fluxo de elétrons do semicondutor tipo N ao semicondutor tipo P (do negativo ao positivo), passando através da região neutra. Esse fluxo gera um acúmulo de cargas positivas na fronteira entre a região neutra e o tipo N (pela perda de elétrons), além de um acúmulo de cargas negativas na fronteira entre a região neutra e o tipo P (pelo ganho de elétrons), originando um campo elétrico que vai da fronteira com o tipo N à fronteira com o tipo P (sempre da carga positiva para a negativa).

A radiação eletromagnética advinda do sol, mais especificamente da região do visível até o infravermelho próximo, penetra no painel e atinge a região de junção (ou neutra), provocando o efeito fotoelétrico que retira elétrons de átomos de Silício, gerando assim cargas positivas e negativas. Por ação do campo elétrico existente nessa região, os elétrons migram para o semicondutor tipo N, enquanto os cátions de Silício vão para o semicondutor tipo P, tornando ambas as regiões ricas em cargas negativas ou positivas. Finalmente, a conexão entre as duas áreas por uma espécie condutora gera a corrente elétrica: elétrons migrando para neutralizar as cargas positivas.

O processo explicado resume uma única célula solar (imagem 3). Para que seja alcançada a tensão prometida pelo fabricante, é realizada a ligação em série de diversas células, de forma que as tensões de cada uma se somem, e só assim estará pronta a camada geradora que, após receber as demais camadas e componentes destinados à sua proteção, o painel estará finalizado e pronto para ser instalado.

Imagem 3: Célula solar; Fonte: Elysia

Porém, nem só de painéis solares é feito um sistema fotovoltaico, isso porque eles produzem corrente contínua, enquanto as residências e indústrias são abastecidas com corrente alternada. Portanto, faz-se necessário o uso de inversores (imagem 4), que são dispositivos feitos para converterem a corrente contínua em alternada, possibilitando agora o uso dessa energia gerada.

Imagem 4: Inversores; Fonte: Engegrid

Por fim, é necessária uma fonte de armazenamento dessa energia produzida. A maior parte dos sistemas são os chamados On Grid, que, através de um medidor bidirecional, utilizam a própria rede da concessionária para realizar o balanço dos kWh consumidos e produzidos, dispensando custos adicionais à instalação do sistema, mas estando sujeito a taxas da distribuidora. A parte restante são os Off Grid, que consistem na instalação de baterias (normalmente de chumbo) para o armazenamento energético, estando completamente desconectados da concessionária, porém, pelo alto custo das baterias e a necessidade de trocas periódicas, torna-se inviável na maioria dos casos.

Não se pode negar que o investimento nesses sistemas costuma ser alto, até mesmo para um On Grid, e é inviável para a maior parte da população brasileira neste momento. Nos resta a esperança de incentivos governamentais para a geração solar, que, além de ser limpa, seria peça fundamental na fuga da dependência das usinas hidroelétricas, que tanto sofrem e fazem nossos bolsos sofrerem, nos períodos de estiagem

Bibliografia

SCITOONS. How do solar cells work? Youtube, 30 de abr. de 2018. Disponível em: . Acesso em 5 de mar. de 2022.

COMO funciona o painel solar fotovoltaico e do que é feito? EnergiaTotal, Sinop, 31 de dez. de 2017. Disponível em: . Acesso em 5 de mar. de 2022.

COMO funciona o painel solar fotovoltaico (Placas fotovoltaicas). Portal Solar, 2022. Disponível em: . Acesso em 5 de mar. de 2022.

A Eutrofização e seus efeitos sobre os corpos d’água

Gean Barbosa de Melo — Thu, 16 Sep 2021 22:58:23 +0000

O processo de eutrofização ocorre quando há o aumento dos nutrientes disponíveis naquele ecossistema, como matéria orgânica e derivados de fósforo e nitrogênio. Ele pode ocorrer naturalmente, pela deposição de folhas, animais mortos etc., ou sofrer intervenção antrópica, através do despejo de, por exemplo, esgoto doméstico, efluentes industriais e água contaminada por fertilizantes.

Com a maior disponibilidade desses nutrientes, especialmente o fósforo, há grande crescimento de fitoplânctons (cianobactérias e algas) no corpo d’água. A permanência desses microrganismos na superfície aquática gera uma coloração esverdeada, além de reduzir consideravelmente a passagem de luz, causando a morte de plantas aquáticas que são produtoras de oxigênio. A morte dessas plantas, somada aos detritos que foram despejados no local, funcionam como fontes de matéria orgânica para bactérias heterotróficas (consumidoras de matéria orgânica) que realizam sua decomposição através do consumo de oxigênio, de acordo com a reação genérica abaixo:

C (matéria orgânica) + O₂ -> CO₂

A análise de Oxigênio Dissolvido (OD), em conjunto com a Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO), possibilita a compreensão desse estado de eutrofização. O OD atesta a concentração de oxigênio na amostra de água, normalmente em ppm, e o método mais comum é o método de Winkler, com possibilidade de modificações caso seja constatado algum interferente. A amostra deve ser acomodada em um fraco de Winkler (Figura 1), que é hermeticamente fechado.

Figura 1 – Frasco de Winkler
Fonte: Netlab

O próximo passo é a fixação do oxigênio, adicionando Sulfato de Manganês II (MnSO₄) em solução alcalina de Hidróxido de Sódio ou Hidróxido de Potássio, de acordo com as reações abaixo:

MnSO₄ + 2 NaOH -> Mn(OH)₂ + Na₂SO₄

2 Mn(OH)₂ + O₂ -> 2 MnO(OH)₂

Como resultado, haverá a formação de um precipitado marrom (MnO(OH)₂), mas que também poderá ser branco (Mn(OH)₂), caso não haja oxigênio no meio para proceder a segunda reação, que finaliza a análise já nesse passo. Por fim, a solução é acidificada com Ácido Sulfúrico (H₂SO₄) concentrado para formar o Sulfato de Manganês IV (Mn(SO₄)₂), que é solúvel, e adicionado excesso de Iodeto de Potássio (KI), para realizar o método da iodometria por titulação com solução padrão de Tiossulfato de Sódio:

MnO(OH)₂ + 2 H₂SO₄ -> Mn(SO₄)₂ + 3 H₂O

Mn(SO₄)₂ + 2 KI -> MnSO₄ + K₂SO₄ + I₂

I₂ + Na₂S₂O₃ -> 2 NaI + Na₂S₄O₆

No caso da DBO, o método mais utilizado é a DBO-5. Nele, são utilizados dois frascos de Winkler com a amostra, sendo que um deles terá o OD medido no primeiro dia, e o outro será medido no quinto dia. Com isso, é possível realizar uma boa aproximação à DBO-U, que seria a medição diária do OD até que não haja mais variações de oxigênio, mas que tomaria vários dias. Assim, descobrindo a variação entre os ODs, obtém-se a DBO, que demonstra o teor de oxigênio consumido pelos microrganismos na degradação da matéria orgânica. Quanto maior a DBO, maior a poluição e mais intenso o estado de eutrofização do ambiente.

Diminuindo os níveis de OD, as primeiras espécies a sofrerem as consequências são as de maior porte, que demandam mais oxigênio para sobreviverem: os peixes. E não é atoa que eles sempre morrem da noite para o dia, e não do dia para a noite, pois é de noite que espécies produtoras de oxigênio, como plantas e microalgas, tornam-se consumidoras. Sendo assim, é comum encontrar em ambientes eutrofizados peixes minúsculos, que necessitam de pouco oxigênio, mas que morrerão em breve se o processo de eutrofização continuar a ser alimentado pelas intervenções antrópicas, tornando o ambiente infértil.

Para salvar um corpo d’água eutrofizado, o primeiro passo é cessar o depósito de detritos. Em seguida, uma das estratégias utilizada é a instalação de bombas de ar, aumentando a saturação de oxigênio da água que, consequentemente, auxiliam os microrganismos no processo de decomposição da matéria orgânica, além de preservar espécies que ainda habitam no ecossistema. Todo o processo é demorado, caro e nem sempre é viável, a depender da extensão do corpo hídrico. Assim, o ideal é que haja sempre o cuidado preventivo, tratando todo o esgoto que será depositado em rios ou lagos, pois o custo é menor em relação aos custos de reparação dos danos ambientais.

Bibliografia

http://www.ufrrj.br/institutos/it/de/acidentes/eut.htm

https://brasilescola.uol.com.br/biologia/eutrofizacao.htm

https://www.ecycle.com.br/eutrofizacao/

https://www.ufjf.br/baccan/files/2012/11/Aula-2-Determina%C3%A7%C3%A3o-de-Oxig%C3%AAnio-Dissolvido.pdf

O Hidrogênio como o combustível do futuro

Gean Barbosa de Melo — Wed, 24 Mar 2021 22:08:26 +0000

Com o aumento das campanhas de preservação ambiental, as pessoas passaram a ter uma visão diferente da que tinham no século passado, sobre poluição. A fim de se adequar a essa demanda, empresas de todas as áreas passaram a investir na propaganda do sustentável, para mostrar aos seus clientes que os seus produtos causaram menos impactos ambientais na fabricação do que os de seus concorrentes. Para cumprir o proposto, tais empresas utilizam diferentes estratégias, sendo que uma das mais comuns é a utilização de fontes limpas ou menos poluentes de energia.
Por conta do aumento da divulgação do efeito estufa pelas mídias, os combustíveis fósseis vêm tendo um papel de vilão neste cenário. Sendo formados de variados compostos de carbono, sua queima libera o “gás do efeito estufa” ou “gás carbônico”, Dióxido de Carbono (CO2). Muitos são os usos desses combustíveis, mas o destaque maior com certeza são os automóveis: só no Brasil, no ano de 2018, havia 44,80 milhões de veículos (carros, ônibus, caminhões, vans…) e 13,12 milhões de motocicletas, entre novos e usados. Com parte deles em funcionamento, já é possível mensurar algumas toneladas de CO2 indo para a atmosfera, mas e os automóveis dos outros países do mundo? Baseado nessa preocupação, empresas automobilísticas vêm buscando fontes alternativas de energia e uma delas é o Hidrogênio.

A utilização do hidrogênio (H2) como combustível não é algo recente, pois sua forma líquida já era utilizada em foguetes e cápsulas espaciais. Algumas características o fazem ser uma boa opção: é leve (de baixa densidade), por ser a molécula com menor massa molecular existente (2g/mol), e possui grande capacidade de gerar energia. Tal energia é produzida a partir de uma reação de oxirredução com o Oxigênio (O2), disponível no ambiente:

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O E°red = +1,23V (1)
2H+ + 2e- → H2 E°red = 0,00V (2)

Lembrando que os potenciais padrões de redução foram medidos com base no Eletrodo Normal de Hidrogênio (ENH). Temos a equação resultante:

O2 + 2H2 → 2H2O E° = +1,23V (3)

Como o potencial da equação (3) é positivo e elevado, nas condições padrão, essa reação é espontânea e capaz de produzir grandes quantidades de energia, além do principal ponto: não é poluente, visto que o único produto dessa reação é a água. Já existem alguns carros com essa tecnologia, um deles é o Mirai, da Toyota. Com seu tanque cheio (comporta 5,6kg de H2), possui autonomia de 650km, mas, claro, nem tudo são flores: seu preço inicial é de US$ 49.500 e há pouquíssimas estações de abastecimento de hidrogênio disponíveis; outro ponto é que, como esse combustível ainda não é produzido em larga escala, seu preço tende a ser elevado, já que, mesmo sendo gerado em diversos processos químicos nas indústrias, o gás acaba sendo descartado.

Mas isso não é motivo para perder as esperanças; assim como no século XX os computadores eram enormes, com altos preços, mal realizavam operações básicas matemáticas e hoje temos os smartphones, é possível que o futuro dos veículos movidos a hidrogênio esteja mais próximo do que podemos imaginar.

BIBLIOGRAFIA

https://brasilescola.uol.com.br/quimica/combustivel-hidrogenio.htm
https://www.diariodoaco.com.br/noticia/0074248-frota-brasileira-deve-chegar-em-2020-a-471-milhoes-de-veiculos
https://www.uol.com.br/carros/noticias/redacao/2021/02/03/toyota-mirai-testamos-carro-movido-a-hidrogenio-que-ainda-purifica-o-ar.htm
https://insideevs.uol.com.br/reviews/462868/avaliacao-impressoes-dirigir-novo-toyota-mirai-hidrogenio/#:~:text=A%20partir%20de%20US%24%2049.500,66.000%20(R%24%20342.000)

O efeito da radiação ultravioleta na esterilização

Gean Barbosa de Melo — Fri, 11 Sep 2020 23:29:46 +0000

A presença de microrganismos, especialmente os patógenos (causadores de doenças), gera riscos e custos em diversos setores como, o alimentício e o hospitalar. A fim de combater tais bactérias, fungos e até mesmo vírus, são desenvolvidos métodos de processos físicos, como a pasteurização, e processos químicos, utilizando substância ou radiação ultravioleta.

A radiação ultravioleta apresenta vantagens mediante outros métodos, já que é economicamente barata, possui alta eficiência e não necessita de muito tempo. Por definição, o ultravioleta fica, aproximadamente, na faixa de 10 a 400 nanômetros (nm), sendo assim invisível a olho nú.

Figura 1: Espectro eletromagnético

Fonte: Medium

O comprimento de onda utilizado deve estar entre 210 e 330nm, pois, caso seja inferior a 200nm, as ondas são absorvidas por moléculas presentes no ar, como o gás oxigênio e o vapor d’água; e, caso seja superior a 330nm, como a energia e o comprimento de onda são inversamente proporcionais (Figura 1), há chances de o fóton não possuir energia cinética suficiente provocar a retirada de elétrons, conhecida como ionização.

Figura 2: Relação de Planck-Einsten

Fonte: Fluxsci (adaptado)

Tal ionização é o processo responsável pela morte dos microrganismos, já que causa mutações em partes que são essenciais para a sobrevivência e reprodução destes seres. Normalmente, tais modificações ocorrem no DNA ou RNA, mais especificamente nas pirimidinas (compostos orgânicos que dão base às bases nitrogenadas citosina, timina e uracila), formando dímeros que podem impedir a transcrição ou a replicação, bloqueando a reprodução e levando à morte.

Porém, devem ser tomados alguns cuidados para garantir que a esterilização possua alto grau de eficiência: a fonte de radiação deve estar na distância ideal da superfície, para que haja boa intensidade dos fótons; o tempo de exposição necessário deve ser obedecido; e a superfície deve estar limpa, para evitar que os raios ultravioletas sejam absorvidos pelas partículas de poeira.

BIBLIOGRAFIA

ALEXANDRE, Fernanda Antunes; FARIA, José de Assis Fonseca; CARDOSO, Claudio Fernandes. Avaliação da eficiência da radiação ultravioleta na esterilização de embalagens plásticas. Ciênc. agrotec., Lavras , v. 32, n. 5, p. 1524-1530, Oct. 2008 . Available from . access on 04 Sept. 2020.

UEKI, Suely Yoko Mizuka et al . Cabine de segurança biológica: efeito da luz ultravioleta nas micobactérias. Rev. Inst. Adolfo Lutz (Impr.), São Paulo, v. 65, n. 3, 2006 . Disponível em . acessos em 04 set. 2020.

Riscos ao misturar produtos de limpeza

Gean Barbosa de Melo — Fri, 05 Jun 2020 17:00:36 +0000

Em época de pandemia, a higienização de superfícies, compras trazidas de supermercados, mãos, etc. se tornou uma das principais formas de prevenir contaminações. Com essa finalidade, os principais produtos utilizados são: o Hipoclorito de Sódio, NaOCl, (vendido comercialmente como Água Sanitária) e o Etanol 70ºGL, CH₃CH₂OH, (de nome comercial Álcool). O risco à saúde passa a existir quando, pensando aumentar a eficiência de combate ao coronavírus, algumas pessoas misturam esses produtos com outros do dia a dia, como por exemplo vinagre, provocando reações químicas que liberam substâncias tóxicas.

Abaixo seguem alguns exemplos do que a mistura inadequada ou acidental destas substâncias pode causar:

1) No Caso em que produtos de baixo pH (ácidos) sejam misturados com Hipoclorito de Sódio

Para entender o porquê de não poder misturá-los, é necessário entender a reação química que é utilizada na indústria para a produção do Hipoclorito.

2NaOH_(aq) + Cl₂_(g) -> NaCl_(aq) + H₂O_(l) + NaClO_(aq)

NaOH: Hidróxido de Sódio (Soda Cáustica) – Uma base

Cl₂: Gás Cloro

NaCl: Cloreto de Sódio (Sal de cozinha)

NaClO: Hipoclorito de Sódio (Água Sanitária)

Por se tratar de um equilíbrio químico, há duas reações químicas ocorrendo simultaneamente: a reação da direita para a esquerda e da esquerda para a direita. Industrialmente, é adicionado um excesso de NaOH, a fim de que a reação, pelo princípio de Le Chatelier, seja favorecida para o lado direito. Porém, quando algum produto ácido é adicionado em grande quantidade, como o Ácido Acético (Vinagre) ou o Ácido Clorídrico (Ácido Muriático), o NaOH presente sofre uma reação de neutralização, fazendo com que a reação do lado esquerdo seja favorecida, liberando Gás Cloro (Cl₂) no ambiente, que causa irritações nos olhos, nariz, e na garganta. Se a concentração e o tempo de exposição forem elevados, pode causar edemas pulmonares e até mesmo levar à morte. Além disso, por conta deste deslocamento de equilíbrio, a quantidade de Hipoclorito de Sódio (NaClO) presente, responsável pela desinfecção, diminuirá, ocasionando a redução da eficácia do produto no combate ao coronavírus.

2) Misturando Etanol com Hipoclorito de Sódio

CH₃CH₂OH_(aq) + 4NaOCl_(aq) + 2NaCl_(aq) + H₂O_(l) -> 2CHCl₃_(g) + 6NaOH_(aq)

O Clorofórmio, quando em contato com a pele, vias aéreas e olhos, pode provocar queimaduras e irritações, além de atingir o sistema nervoso central, sistema cardiovascular, e outros órgãos, também sendo cancerígeno. Também vale ressaltar a perda da eficácia no combate ao coronavírus, visto que, ao misturar Etanol (CH₃CH₂OH) com Hipoclorito de Sódio (NaClO), ambas substâncias com poder de desinfecção passam a ser consumidas para formar Clorofórmio (CHCl₃), que escapa na forma de gás, e Hidróxido de Sódio (NaOH).

Assim, é de suma importância o cuidado com métodos de desinfecção caseiros, devendo sempre optar pelos métodos recomendados pela ciência, que possuem eficiência comprovada e não causam danos à saúde do ser humano.

BIBLIOGRAFIA:

BRADLEY, David. “Explainer: Why is mixing cleaning chemicals such a bad idea?”; ChemistryWorld. Disponível em: https://www.chemistryworld.com/news/explainer-why-is-mixing-cleaning-chemicals-such-a-bad-idea/4011257.article. Acesso em 28 de maio de 2020.

LUCCA, Lourenço de. “Controle de qualidade do Hipoclorito de Sódio no Processo de Produção”. 2006. 12 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2006.

ARAGUAIA, Mariana. “Clorofórmio”; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/drogas/cloroformio.htm. Acesso em 28 de maio de 2020.

PAVAN, J. M. “Controle das Emissões Acidentais de Cl2”. São Paulo: Boletim Técnico, Ed. 5. Eco Tech System. Janeiro 2008.

O aquecimento global como inimigo da produção de cerveja

Gean Barbosa de Melo — Tue, 05 Nov 2019 19:55:03 +0000

As promoções de cerveja podem estar com seus dias contados. Estima-se que, até 2099, a produção de cevada sofrerá uma queda de 3% a, até mesmo, 17%, por conta do constante aumento da temperatura do planeta. Apesar disto, sabe-se que nem todas as regiões de produção serão afetadas diretamente pelo calor, porém, com a intensificação de pragas e desastres naturais, cuja tendência aumenta com a variação de temperatura, as notícias continuam nada agradáveis.

Por outro lado, o microrganismo responsável pela fermentação alcoólica da cerveja também terá seu ônus. A levedura Saccharomyces cerevisiae possui temperatura ideal de fermentação de 28ºC a 30ºC e, apesar de estudos ainda comprovarem uma produção de Etanol eficiente a 32ºC, sabe-se que a taxa de crescimento do fungo passa a reduzir exponencialmente conforme a temperatura aumenta de 33ºC, o que afeta diretamente o processo fermentativo.

Figura 1: Gráfico de Taxa de crescimento máximo versus Temperatura. Saccharomyces cerevisiae representada pelos quadrados.

Não é o fim do mundo, porém sabe-se que todos estes impasses acarretarão custos aos grandes empresários, e até mesmo poderão levar pequenos produtores à falência, causando a diminuição da oferta e levando ao consequente aumento de preço.

Referências bibliográficas:

https://super.abril.com.br/ciencia/aquecimento-global-pode-deixar-a-cerveja-mais-cara/

https://www.infomoney.com.br/consumo/a-cerveja-pode-entrar-em-extincao-gracas-ao-aquecimento-global/

http://seer.fcfar.unesp.br/rcfba/index.php/rcfba/article/viewFile/116/35

https://aem.asm.org/content/77/7/2292