Questão 3 (2º dia) da 2ª fase da FUVEST 2017
O biogás, produzido por digestão anaeróbia de resíduos orgânicos, contém principalmente metano e dióxido de carbono, além de outros gases em pequenas quantidades, como é o caso do sulfeto de hidrogênio.
Para que o biogás seja utilizado como combustível, é necessário purificá-lo, aumentando o teor de metano e eliminando os demais componentes, que diminuem o seu poder calorífico e causam danos às tubulações.
Considere uma amostra de biogás cuja composição, em massa, seja 64,0 % de metano (\ce{CH4}), 32,0 % de dióxido de carbono (\ce{CO2}) e 4,0 % de sulfeto de hidrogênio (\ce{H2S}).
a) Calcule a energia liberada na combustão de um quilograma dessa amostra de biogás.
b) Calcule o ganho de energia, por quilograma, se for utilizado biogás totalmente isento de impurezas, em lugar da amostra que contém os outros gases.
c) Além de aumentar o poder calorífico, a purificação do biogás representa uma diminuição do dano ambiental provocado pela combustão. Explique por quê.
d) Em aterros sanitários, ocorre a formação de biogás, que pode ser recolhido. Em um aterro sanitário, tubos foram introduzidos para captação dos gases em duas diferentes profundidades, como é mostrado na figura. Em qual dos tubos, A ou B, é recolhido biogás com maior poder calorífico? Explique.
Note e adote:
| Calor de combustão (\text{kJ/kg}) | |
|---|---|
| \ce{CH4} | 55 \times 10^3 |
| \ce{H2S} | 15 \times 10^3 |
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Resolução comentada
a) Em 1 kg de biogás há 0,640 kg de \ce{CH4}, 0,320 kg de \ce{CO2} e 0,040 kg de \ce{H2S}. O \ce{CO2} não queima (já é produto de combustão), então só \ce{CH4} e \ce{H2S} liberam energia.
- \ce{CH4}: 0{,}640 \times 55\times10^3 = 35{,}2\times10^3\ \text{kJ}
- \ce{H2S}: 0{,}040 \times 15\times10^3 = 0{,}6\times10^3\ \text{kJ}
Soma: 35{,}2\times10^3 + 0{,}6\times10^3 = 35{,}8\times10^3\ \text{kJ}.
Energia liberada: 3{,}58\times10^4\ \text{kJ} por kg de biogás.
b) Com biogás isento de impurezas, 1 kg é só \ce{CH4}:
Ganho: 55\times10^3 - 35{,}8\times10^3 = 19{,}2\times10^3\ \text{kJ}.
Ganho de energia: \approx 1{,}9\times10^4\ \text{kJ} por kg (cerca de 54% a mais).
c) A combustão do \ce{H2S} produz óxidos de enxofre: \ce{2 H2S + 3 O2 -> 2 SO2 + 2 H2O}. O \ce{SO2} (e depois \ce{SO3}) reage com a água da atmosfera e forma ácidos (\ce{H2SO3}, \ce{H2SO4}), causando chuva ácida. Retirar o \ce{H2S} evita essa emissão. Além disso, a retirada do \ce{CO2} reduz a quantidade desse gás de efeito estufa lançada na atmosfera.
Purificar elimina a formação de \ce{SO2} (chuva ácida) e reduz a emissão de \ce{CO2} (efeito estufa).
d) O biogás se forma por digestão anaeróbia, isto é, sem oxigênio. Na parte mais profunda do aterro, o lixo está coberto por camadas de material e há pouco \ce{O2}, então predomina a fermentação que produz \ce{CH4}. Perto da superfície há entrada de ar: ocorre decomposição aeróbia, que produz mais \ce{CO2}, e o biogás fica mais diluído (e pode captar \ce{N2} do ar), com menos metano. Logo o gás mais rico em metano está no tubo mais fundo.
Tubo A, pois é captado na região anaeróbia, mais rica em \ce{CH4}.
Assuntos: termoquímica, calor de combustão, poluição atmosférica.
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