Skepticism, Abstraction and Concept

Segundo Barboza et al (2001) o princípio de funcionamento do forno de micro-ondas é o magnetron, válvula que gera micro-ondas, figura 3.3.

Figura 3.3- Esquema de um forno de micro-ondas. Fonte: (Barboza et al, 2000).

Ela consiste de um dispositivo sob vácuo, que converte energia elétrica em micro-ondas. Uma diferença de potencial constante é aplicada entre o ânodo (que é um cilindro circular oco) e o cátodo. Os elétrons são acelerados do cátodo para o ânodo, mas a presença de um

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forte campo magnético (produzido por um eletro-imã colocado entre os dois pólos) faz com que os elétrons descrevam uma trajetória curva e seguem um caminho em espiral, produzindo radiofrequência (RF). Posteriormente, por um mecanismo mais complexo, ocorrerá a emissão de ondas eletromagnéticas por uma antena colocada diretamente sobre o ânodo. As ondas produzidas serão guiadas por um guia de onda até a cavidade contendo o material a ser aquecido. As paredes metálicas do forno absorvem muito pouco da energia. A maior parte é refletida e dissipada em um dispositivo (dummy load), que evita que as micro-ondas danifiquem a válvula.

De acordo com Ribeiro (2016) e Fortuny et al (2008) o aquecimento por micro-ondas é completamente diferente daquele que ocorre em um forno de cozinha convencional (seja a gás ou elétrico), onde o aquecimento de alimentos ocorre por condução, irradiação e convecção. O aquecimento por micro-ondas é também chamado de aquecimento dielétrico que consiste na rotação de dipolo, e relaciona-se com o alinhamento das moléculas (que tem dipolos permanentes ou induzidos) com o campo elétrico aplicado. Quando o campo é removido as moléculas voltam a um estado desordenado, e a energia que foi absorvida para esta orientação nestes dipolos é dissipada na forma de calor. Como o campo elétrico na frequência de 2,45GHz oscila (muda de sinal) 4,9 x 109 vezes por segundo, ocorre um pronto aquecimento destas moléculas.

De acordo com Leal (2015) um segundo modo de aquecimento por micro-ondas é chamado de condução iônica, em que o calor é gerado através de perdas por fricção, que ocorrem pela migração de íons dissolvidos quando submetidos à ação de campo eletromagnético. As perdas por fricção dependem do tamanho, da carga e condutividade dos íons dissolvidos juntamente com a interação destes com o solvente.

Yin (2012) apud Leal (2015) afirma que a capacidade de um material absorver energia de micro-ondas e converter em calor é muito importante para o aquecimento. Esta capacidade está relacionada com as propriedades constante dielétrica (ε‟) e perda dielétrica (ε”). A constante dielétrica está relacionada com a capacidade das moléculas serem polarizadas (alinhadas) por um campo elétrico e a perda dielétrica com a eficiência com que a radiação eletromagnética pode ser convertida em calor.

Segundo Yin (2012) apud Leal (2015) a tangente de perda (tanδ=ε”/ε‟) é um parâmetro que mede a eficiência global de um material para ser usado no aquecimento por micro-ondas. De acordo com suas interações com a radiação de micro-ondas, os materiais são classificados em: condutores (reflexivos), isolantes (transparentes) e dielétricos (absorção).

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Leal (2015) verifica que os materiais podem ser classificados pela absorção de micro- ondas. Materiais com tanδ > 0,5 são materiais de alta absorção, materiais com tanδ entre 0,1 a 0,5 são materiais de média absorção e materiais com tanδ < 0,1 são materiais de baixa absorção.

Fernández et al (2011) apud Ribeiro (2016) e Leal (2015) afirmam que o material aquecido por micro-ondas possui o interior mais aquecido que o exterior, uma vez que as micro-ondas são capazes de penetrar no interior do material. A uniformidade do aquecimento depende do tamanhão da amostra bem como da profundidade de penetração das micro-ondas.

Rabello (2005) afirma que a maioria dos sistemas industriais ainda necessita de ser aperfeiçoada. Isto se deve às dificuldades de análise do fenômeno intrínseco ao aquecimento por micro-ondas, como é o caso da distribuição do campo eletromagnético na região de aquecimento, da propagação de calor incluindo a mudança de fase ou o transporte de massa e da resposta fortemente não linear das propriedades dos materiais com a variação da temperatura.

Segundo Rabello (2005) quando o aquecimento por micro-ondas é aplicado para o processo de pirólise, a distribuição da temperatura, a taxa de aquecimento e o tempo de residência dos voláteis são observados em comparação com os parâmetros do processo convencional para:

 Reduzir do tempo de aquecimento: a ação das micro-ondas diretamente nas moléculas reduz o tempo de processamento;

 Economia de energia: as energias de ligação da água com componentes orgânicos (proteínas, carboidratos) e inorgânicos (minerais) dos vegetais variam de 10 a 150kcal/mol. Este é o fator limitante quando se compara os processos de aquecimento por micro-ondas e o convencional. No processo convencional (a gás ou elétrico) o calor transmitido por condução e convecção possui uma eficiência menor em comparação com o calor que é transmitido por micro-ondas, sendo de 40% a redução da energia total necessária para o aquecimento;

De acordo com Rabello (2005) o aquecimento convencional ocorre com transferência de calor da superfície do material para o centro por convecção, condução e irradiação. Já o aquecimento por micro-ondas ocorre pela conversão direta da energia eletromagnética na frequência de micro-ondas em energia térmica. Pois as micro-ondas conseguem penetrar no material e depositar energia, através da resposta dielétrica do material, através de dois mecanismos, a orientação de dipolos e a relaxação dielétrica frente à frequência das micro-

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ondas, que permite que o aquecimento ocorra no volume do material do centro para a superfície do material.

Segundo Fernandez et al (2009) o aquecimento por micro-ondas está surgindo como uma alternativa tecnológica para a pirólise. Quatro fases são observadas durante o aquecimento por micro-ondas na pirólise:

 Relaxação dielétrica das moléculas de água, responsáveis pelo início do aquecimento da amostra;

 A temperatura atinge um nível antes de alcançar a temperatura de carbonização, a qual depende da utilização de um receptor;

 A temperatura sobe rapidamente com consequente perda de massa e normalmente com ponto de flexão;

 O equilíbrio térmico é atingido, que depende do receptor. Mudanças no receptor podem alterar a condutividade e a permissividade da amostra e também a força do campo elétrico na amostra e a capacidade de dissipação. Entretanto o fenômeno chamado de “fuga térmica” pode ocorrer;

Segundo Rabello (2005) materiais com baixa perda dielétrica, como a madeira, apresenta uma absorção de calor mais distribuída dentro da amostra. Sistemas de variação de frequência da fonte podem proporcionar melhores condições de homogeneidade de aquecimento.

Segundo Fernandez et al (2009) e Mushtaq et al (2014) na MAP o aquecimento ocorre direto pela interação molecular devido às ondas eletromagnéticas. O material é processado rapidamente, a transferência de calor é homogênea e ocorre conversão de energia. Estes fatores contribuem para a melhoria das propriedades do produto final, figura 3.4.

Pirólise Convencional Pirólise por micro-ondas

Baixa

a

b

Alta Temperatura

Figura 3.4- Gradiente de temperatura de amostras aquecidas por a) método convencional b)

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Undri et al (2014) afirmam o aquecimento por micro-ondas ganhou grandes aplicações em várias áreas cientificas e industriais, sendo que o sucesso se deve ao meio único de aquecimento volumétrico dos materiais. Pois, esta característica permite um aquecimento rápido e localizado levando a economia de tempo e energia.

De acordo com Undri et al (2014) e Ani et al (2013) a MAP é uma aplicação promissora na conversão de resíduos e biomassas em combustíveis e produtos químicos. Neste processo, são usadas temperaturas elevadas para quebrar as macromoléculas de polímeros para compostos de baixo peso molecular, produzindo gás condensável e volátil além do carvão que é formado a partir de materiais inorgânicos inicialmente presentes e de compostos orgânicos. A MAP vem nos últimos dez anos ganhando espaço na comunidade termoquímica, uma vez que o calor é produzido dentro do material ao passo que nos processos convencionais de pirólise a direção do calor é de fora para dentro por condução e convecção. Isto traz grandes vantagens para o processo de pirólise em termos de aquecimento rápido e volumétrico, uso de matéria-prima de grande porte e produtos de melhor qualidade química.

Yin (2012) afirma que a MAP é uma forma de obter melhor eficiência energética, comparada a outros métodos de produção de biocombustíveis líquidos (pirólise rápida). O aquecimento rápido volumétrico do centro da amostra provoca uma rápida liberação de umidade, aumentando à área superficial e melhorando a estrutura dos poros. Isto favorece uma rápida liberação de voláteis, tendo a transferência de calor invertida, isto é, temperaturas mais baixas na superfície e temperaturas mais elevadas no centro, reduzindo o contato entre vapores pirolíticos liberados e o carvão quente. Além disso, permite um controle da temperatura mantendo um nível moderado desejado. Sendo que o reator de pirólise assistida por micro-ondas requer cuidados construtivos e também cuidados operacionais, pois há necessidade de compatibilidade de materiais no tocante a penetração das ondas de micro- ondas.