Simulações computacionais de sistemas poliméricos aplicados à separação de gases e armazenamento de energia

• Autor(a) principal: Silva, Flávia Cristina Assis
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal Fluminense (RIUFF)
• Texto Completo: http://app.uff.br/riuff/handle/1/29194
• topic: Sistemas poliméricos; Eletrólitos; Dinâmica molecular; Membranas; Separação de gases; Condutividade; Membrana poliuretano-ureia; Modelagem; Liquefação fracionada; Polímero; Simulação por computador; Energia renovável; Polymeric systems; Electrolytes; Molecular dynamics; Membranes; Gas separation; Conductivity

O aumento da concentração de CO2 na atmosfera é apontado como principal causa do aquecimento global. Dessa forma, faz-se necessário a busca por novas tecnologias de captura, uso e armazenamento de carbono (CCUS) e fontes de energias renováveis. Para tornar isso possível, este trabalho apresenta a modelagem molecular de sistemas poliméricos com potencial aplicação na captura de CO2, e armazenamento de energia proveniente de fontes renováveis. A modelagem molecular foi aplicada para investigar as propriedades estruturais, termodinâmicas e dinâmicas de um modelo de oligômero de poli (uretano ureia) (PUU) para capturar seletivamente CO2 na presença de CH4. Visando a aplicação de sistemas poliméricos no armazenamento de energia, eletrólitos poliméricos baseados em poli ( uoreto de vinilideno) (PVDF) com diferentes concentrações (40, 55, 65 e 75% em massa) de 1-metil-3-etilimidazólio bis ( uorossulfonil) imida [EMIM] [FSI] foram investigados por técnicas experimentais e de simulação de dinâmica molecular (DM). Uma abordagem já aplicada para polipeptídeos para derivação de cargas atômicas parciais, foi aplicada ao modelo, com base em amostragem estatística, utilizando cálculos de química quântica e dinâmica estocástica. As interações dos gases com o modelo de PUU foram estudadas em sistemas contendo gases puros e mistura de gases. Uma caracteriza- ção detalhada da estrutura revelou alta interação das moléculas de CO2 com os segmentos rígidos do PUU. As propriedades estruturais e energéticas explicaram as razões para a maior sorção de CO2 em relação ao CH4. A seletividade ideal para a separação CO2 / CH4 foi 41 à 298 K. A superfície divisória de Gibbs foi caracterizada para cada sistema, e o CO2 permaneceu con nado durante todo tempo de simulação (1000 ns) na interface do modelo gás-oligômero. O modelo de oligômero simulado demonstrou ser um material promissor na separação de CO2 / CH4. O sistema PVDF/[EMIM][FSI] foi investigado visando ä aplicação em armazenamento de energia, com base em recente estudo aplicado a capacitores. Observou-se que a adição de Líquido Iônico LI no polímero diminuiu ligeiramente a janela de estabilidade eletroquí- mica em comparação ao LI puro. Para o PVDF puro, a temperatura de transição vítrea (Tg) obtida foi de 233,1 K, o que está de acordo com os dados experimentais. Com a adição de LI, a temperatura de transição vítrea dos sistemas diminuíram, indicando uma redução na mobilidade segmentar do polímero. As condutividades iônicas foram obtidas por meio de medidas experimentais e simulações de DM, as quais foram calculadas pelos métodos de Nernst-Einstein e Einstein-Helfand. Para os eletrólitos gel poliméricos (GPEs), as condutividades experimentais foram duas ordens de magnitude menores do que o LI puro devido à formação de pontos de reticulação física que reduzem a mobilidade do polímero. Os resultados das simulações de DM reproduziram a tendência geral da condutividade iônica obtida experimentalmente para os GPEs. A análise estrutural dos eletrólitos mostrou que a interação do polímero com os íons ocorre em locais especí- cos, formando camadas alternadas de cátions e ânions. Os sistemas de GPEs estudados apresentam uma condutividade iônica que depende principalmente da mobilidade do pol ímero. Ambos os projetos demonstraram o potencial de PUU e PVDF para aplicação em Resumo iv sistemas de tecnologia limpa, visando a redução da concentração de CO2 na atmosfera