Membranas de carbono suportadas obtidas a partir do precursor polimérico poli(éter sulfona)

Abstract

A separação de gases utilizando membranas de carbono ainda está em processo de desenvolvimento. Devido às muitas vantagens que apresentam, as membranas de carbono são alvo de diversas pesquisas e permitem o desenvolvimento de novos materiais objetivando aprimorar esse tipo de estrutura em termos de desempenho e seletividade, no que diz respeito ao processo industrial de separação de misturas gasosas. Neste trabalho foram fabricadas membranas de carbono suportadas (MCS) em tubos cerâmicos de alumina, pelo processo de pirólise (700 °C sob N2) da poli(éter sulfona) (PES). Os filmes poliméricos e de carbono e as membranas poliméricas e de carbono suportadas foram caracterizados em relação à estrutura utilizando técnicas de microscopia e espectroscopia, além de testes de permeação de gases realizados nas membranas de carbono suportadas. Foi observado pelos resultados de FTIR e DRX que o polímero precursor, poli(éter sulfona), foi totalmente pirolisado na temperatura final de pirólise empregada. Os resultados das análises estruturais mostraram que as membranas de carbono (MC) são constituídas basicamente por carbono amorfo e turbostrático, com domínios grafíticos, confirmando a heterogeneidade da matriz de carbono. A estrutura de carbono obtida possui elevada área superficial BET e caráter microporoso. As MCS apresentaram uma camada seletiva bem definida com pouca ou nenhuma intrusão de polímero nos poros do suporte, porém com alguns defeitos (microfissuras). Os filmes de carbono produzidos apresentaram elevada estabilidade térmica na presença de oxigênio, permitindo a aplicação das membranas em processos de separação de gases a temperaturas mais elevadas, até aproximadamente 400 °C. Os testes de permeação de gases (He, CO2, N2 e CH4) para avaliação do desempenho das membranas de carbono nas diferentes concentrações de polímero (16 e 18 %; m/m) indicaram que houve a formação de uma estrutura porosa, onde o mecanismo de permeação predominante foi adsorção seletiva, indicando a presença de poros maiores e/ou defeitos na estrutura da membrana. Os resultados obtidos demonstraram que as MC desenvolvidas neste trabalho, mesmo não apresentando o desempenho para atuar como peneiras moleculares, o que geralmente é esperado para membranas de carbono, apresentam potencial para aplicação em processos de separação de gases, inclusive de gás natural. Entretanto, é importante ressaltar que há necessidade de aprimorar as estruturas formadas a fim de atingir melhores desempenhos de processo.

Gas separation using carbon membranes is still under development. Due to their many advantages, carbon membranes are the subject of several researches and allow the development of new materials aiming to improve this type of structure in terms of performance and selectivity, regarding the industrial process of gas mixture separation. In this work, supported carbon membranes (SCM) were manufactured in ceramic alumina tubes by the pyrolysis process (700 °C under N2) of poly(ether sulfone) (PES). The polymeric and carbon films and the supported polymeric and carbon membranes were characterized in relation to the structure using microscopy and spectroscopy techniques, in addition to gas permeation tests performed on the supported carbon membranes. The results of FTIR and XRD showed that the precursor polymer, poly(ether sulfone), was totally pyrolyzed at the final pyrolysis temperature used. The results of the structural analysis showed that the carbon membranes (CM) are basically composed of amorphous and turbostratic carbon, with graphite domains, confirming the heterogeneity of the carbon matrix. The carbon structure obtained has a high BET surface area and a microporous character. SCM presented a well defined selective layer with little or no polymer intrusion in the support pores, but with some defects (microcracks). The carbon films produced showed high thermal stability in the presence of oxygen, allowing the application of membranes in gas separation processes at higher temperatures, up to approximately 400 °C. The gas permeation tests (He, CO2, N2 and CH4) to evaluate the performance of the carbon membranes at different polymer concentrations (16 and 18 %; w/w) indicated that there was the formation of a porous structure, where the predominant permeation mechanism was selective adsorption, indicating the presence of larger pores and/or defects in the membrane structure. The results obtained showed that the SCM developed in this study, even not presenting the performance to act as molecular sieves, which is generally expected for carbon membranes, present potential for application in processes of gas separation, including natural gas. However, it is important to emphasize that there is a need to improve the structures formed in order to achieve better process performance.