Membranas de carbono suportadas para separação de gases

Abstract

A separação de gases é um processo que está presente na grande maioria das indústrias e a utilização de membranas vem ganhando cada vez mais importância e destaque. Neste trabalho foram fabricadas membranas de carbono suportadas em um tubo cerâmico de alumina TCB99 (99 % de alumina) a partir da pirólise (atmosfera inerte de N2) do polímero poli(éter imida) (PEI). A técnica de recobrimento por imersão foi utilizada para formar uma camada de solução polimérica sobre o suporte. Os filmes poliméricos e de carbono e as membranas de carbono suportadas foram caracterizados em relação à estrutura utilizando diferentes técnicas morfológicas, químicas e de estrutura. Além disso, foram realizados testes de sorção nos filmes de carbono e permeação de gases nas membranas de carbono. Também foram realizadas simulações de dinâmica molecular para obter um melhor entendimento das etapas de degradação do polímero, da conformação das cadeias poliméricas e formação da estrutura de carbono durante o processo de pirólise. As membranas de carbono suportadas apresentaram uma camada seletiva bem definida e com pouca ou nenhuma intrusão nos poros do suporte. Os resultados das análises estruturais mostraram que as membranas de carbono são constituídas em sua maior parte por carbono amorfo, podendo conter carbono grafite. Foi observado pelos resultados de FTIR, CNS e DRX que o polímero precursor, poli(éter imida), não foi totalmente pirolisado na temperatura máxima empregada, contendo possivelmente grupamentos de amida e anéis benzênicos. Através de simulação de dinâmica molecular foi possível obter um melhor entendimento sobre o processo de formação e composição da membrana de carbono, confirmando os resultados obtidos experimentalmente em relação à morfologia e estrutura destas, isto é, a formação de uma estrutura amorfa contendo nanodomínios de grafite. A sorção dos gases pelo material da membrana de carbono (MC) seguiu um padrão prescrito pela literatura, onde o gás CO2 apresentou maior sorção, seguido pelos gases CH4, N2 e He. Além disso, verificou-se que para as membranas produzidas em maior temperatura obtiveram um aumento na sorção dos gases He e N2, o qual atribui-se a formação de uma estrutura mais porosa. Os testes de desempenho de permeação de gases (He, CO2, O2, N2, CH4, C3H6 e C3H8) para as membranas de carbono nas diferentes concentrações de polímero (10, 15 e 20 % (m/m)) indicaram a formação de uma estrutura porosa, onde os mecanismos de permeação predominantes foram difusão de Knudsen e difusão superficial, indicando a presença de poros maiores e/ou defeitos na estrutura da membrana, possivelmente causado pela grande área de suporte utilizada. Ainda foi observado que um aumento na concentração de polímero, acarretou em um aumento da permeância para todos os gases, o que pode estar relacionado com o aumento de volume livre no polímero precursor quando submetido à pirólise. Os resultados obtidos demonstram que as membranas de carbono desenvolvidas neste trabalho apresentam potencial para serem aplicadas em processos de separação de gases.

The gas separation is a process that is present in the vast majority of industries and the membranes use is gaining more and more importance and prominence. In this work carbon membranes supported on a TCB99 alumina ceramic tube (99 % alumina) were manufactured from the pyrolysis (N2 inert atmosphere) of the poly(imid ether) (PEI) polymer. The immersion coating technique was used to form a layer of polymer solution on the support. The polymer and carbon films and the supported carbon membranes were characterized in relation to the structure using techniques of microscopy and spectroscopy, among others. In addition, sorption tests were performed on carbon films and gas permeation on carbon membranes. Molecular dynamics simulations were also performed to obtain a better understanding of polymer degradation steps, polymer chain conformation and carbon structure formation during the pyrolysis process. The supported carbon membranes presented a well defined selective layer with little or no intrusion into the pores of the support. The results of the structural analyzes showed that the carbon membranes are composed mostly of amorphous carbon and may contain graphite carbon. It was observed by the FTIR, CNS and XRD results that the precursor polymer, poly(imide ether), was not completely pyrolyzed at the maximum temperature employed, possibly containing amide groups and benzene rings. By means of molecular dynamics simulation it was possible to obtain a better understanding of the formation and composition of the carbon membrane, confirming the results obtained experimentally in relation to the morphology and structure of these, this is, the formation of an amorphous structure containing graphite nanodomains. The gases sorption by the MC material followed a standard prescribed in the literature, where the CO2 gas presented higher sorption, followed by CH4, N2 and He gases. In addition, it was observed that for the gases He and N2, the membranes produced at higher temperature obtained an increase in the sorption, which is attributed to the formation of a more porous structure. The gas permeation tests (He, CO2, O2, N2, CH4, C3H6 and C3H8) for the carbon membranes at the different polymer concentrations (10, 15 and 20 % (m/m)) indicated the formation of a porous structure, where the predominant permeation mechanisms were Knudsen diffusion and surface diffusion, indicating the presence of larger pores and/or defects in the membrane structure, possibly caused by the large support area used. It was further noted that an increase in polymer concentration resulted in increased permeability for all gases, which may be related to the increase in free volume in the precursor polymer when subjected to pyrolysis. The results obtained demonstrate that the carbon membranes developed in this work have the potential to be applied in gas separation/adjustment processes.