Membranas compostas de Alumina e Paládio para permeação de Hidrogênio

• Autor(a) principal: Terra, Natália Mazzarioli
• Data de Publicação: 2018
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
• Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/24453; http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2018.805
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURA; Fibra oca assimétrica; Asymmetric hollow fiber; Hidrogênio; Membrana; Paládio; Hydrogen; Membrane; Palladium; Engenharia química; Hidrogênio como combustível; Membranas (Tecnologia)

O crescente aumento na demanda de formas de energia renováveis e limpas tem promovido o interesse em pesquisas para a produção e purificação do hidrogênio (H2). No entanto, com a produção do hidrogênio tem-se geralmente a geração simultânea de coprodutos. Uma alternativa viável e que vem sendo pesquisada para obtenção de H2 com elevada pureza é através de membranas compostas à base de paládio (Pd), devido à notável solubilidade de H2 através destas membranas que o transportam de forma dissociativa (permitindo a permeação apenas do H2) sem a formação de óxidos estáveis na superfície da membrana que reduzem a permeação do hidrogênio, diferentemente do que ocorre em outros metais. Este trabalho teve como proposta produzir suportes de fibras ocas de alumina com distribuição de poros assimétrica para deposição de membranas metálicas à base de paládio para a separação de hidrogênio. Fibras ocas com diferentes estruturas assimétricas foram produzidas ao variar o coagulante interno (água pura, solvente dimetilsulfóxido (DMSO) puro e DMSO com etanol). As fibras ocas produzidas utilizando como coagulante interno DMSO puro e DMSO com álcool foram denominadas FO6 e FO8, respectivamente, e apresentaram uma extensa camada filamentosa interna e uma fina camada esponjosa ideal para a deposição de paládio. Avaliou-se a permeação de hidrogênio através das membranas compostas com diferentes estruturas de suporte e espessuras de Pd. Tanto para o suporte FO8 quanto para o FO6 foram necessários 3 ciclos de 1h de deposição (cada) para a formação de uma membrana 100% seletiva, com espessuras acima de 3,493 e 2,411 μm, e fluxo de H2 de 0,033 e 0,096 mol s-1 m-2 a 450°C e 100 kPa com os suportes FO8 e FO6, respectivamente. Visando reduzir a rugosidade da parede externa da fibra FO6, utilizaram-se soluções poliméricas de poli(álcool vinílico) (PVA) e poli(étersulfona) (PES), que reduziram em 27,3 e 12,2%, respectivamente. Porém, a presença do polímero gerou defeitos na membrana de paládio, diminuindo significativamente a seletividade (H2/N2) (< 4) ao hidrogênio. Optou-se então pelo recobrimento da superfície externa da fibra oca FO6 com grafite, que reduziu a rugosidade em 36,1%, permitiu a deposição de uma camada de Pd de 1,807 μm, com fluxo de hidrogênio de 0,102 mol s-1 m-2 a 450°C e 100 kPa e com seletividade (H2/N2) infinita. Visando reduzir os custos com o suporte, produziu-se uma fibra com alumina de maior granulometria (aproximadamente 4 μm) recoberta com alumina fina (1 μm). Este recobrimento conseguiu reduzir em 62,2% da rugosidade da parede externa da fibra. Com esta fibra, uma membrana 100% seletiva foi obtida com espessura de Pd de 3,261 μm e fluxo de H2 igual a 0,145 mol m-2 s-1 a 100 kPa e 450 °C. Alterou-se a composição do banho de deposição e PdCl2 foi usado como fonte de paládio e sobre o suporte FO8 produziu-se a membrana MM08-1, com 1,049 μm de espessura e fluxo de H2 igual a 0,212 mol m-2 s-1 a 100 kPa e 450 °C. Esta membrana apresentou estabilidade térmica durante 120 h e seletividade infinita. Assim, a utilização de membranas compostas formadas por uma camada de Pd depositada sobre um suporte do tipo fibra oca de alumina com distribuição de poros assimétrica mostra-se como uma alternativa promissora para separação de hidrogênio, sendo possível obter seletividade infinita e fluxos compatíveis com os apresentados na literatura.