Uso de dinâmica molecular para a análise da fisissorção de gases em líquidos iônicos

Abstract

Processos de captura, separação e armazenamento de gases possuem importância ambiental (no que se refere principalmente ao efeito estufa) e industrial (devido à relação de tais processos com o tratamento de gás natural). Tratando-se, particularmente, da captura e armazenamento de CO2, as metodologias atualmente empregadas apresentam certos obstáculos operacionais, muitos dos quais podem ser superados através do uso de líquidos iônicos em tais processos. Entretanto, as possibilidades de síntese de líquidos iônicos são inúmeras, e portanto é indispensável a elucidação das relações entre estrutura e capacidade de sorção e separação de dióxido de carbono. Este trabalho teve como proposta o uso de Dinâmica Molecular clássica para analisar aspectos de fisissorção dos gases CO2, N2 e CH4 em quatro líquidos iônicos baseados no cátion 1-n-butil-3-metilimidazólio (acetato de 1-n-butil-3-metilimidazólio, prolinato de 1-n-butil-3-metilimidazólio, brometo de 1-n-butil-3-metilimidazólio e tetrafluoroborato de 1-n-butil-3-metilimidazólio). Considerando-se a capacidade coordenante dos ânions com relação a CO2, brometo e tetrafluoroborato apresentaram as melhores performances; levandose em conta a habilidade de separar CO2 de N2 e de CH4, os líquidos contendo estes ânions também tiveram melhor desempenho. No entanto, considerando a capacidade de sorção de CO2, o desempenho parece estar relacionado ao número de sítios em cada ânion que podem atuar como base de Lewis; assim, também neste quesito, o líquido contendo o ânion tetrafluoroborato foi a melhor opção. Foi concluído que, para se obter boa fisissorção e boa seletividade, é desejável que o ânion seja pequeno e possua vários sítios de coordenação.

Processes of gas capture, separation and storage are of environmental importance (mainly in relation to the greenhouse effect) and also of industrial importance (due to the relation of such processes to natural gas treatment). Regarding, in particular, to CO2 capture and storage, the current methodologies present some operational drawbacks, many of which can be surpassed through the use of ionic liquids in those processes. However, the possibilities for the synthesis of ionic liquids are countless, and therefore the elucidation of the relations between structure and carbon dioxide sorption and separation capacity is indispensable. The idea in this work was to use classical Molecular Dynamics in order to analyze physisorption aspects of the gases CO2, N2 and CH4 into four 1-n-butyl-3-methylimidazolium based ionic liquids (1-n-butyl-3- methylimidazolium acetate, 1-n-butyl-3-methylimidazolium prolinate, 1-n-butyl- 3-methylimidazolium bromide and 1-n-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate). Considering the anions coordinating capacity over CO2, bromide and tetrafluoroborate presented the best performances; taking into account the ability of separating CO2 from N2 and from CH4, the liquids containing those anions also accomplished the best results. However, considering the CO2 sorption capacity, the performance seems to be related to the number of sites that each anion possesses that are capable of acting as Lewis bases; hence, also in this aspect, the liquid containing the anion tetrafluoroborate was the best option. It was concluded that, in order to obtain good physisorption and selectivity, it is desirable that the anion be small and posses multiple coordination sites.