Preparo de membranas de carbono de fibra oca modificadas com zinco e viniltrimetoxissilano para separação de gases - Tonon, Guilherme Pavin (2022)
Em função do aumento da demanda global por gases industriais e processos com menor impacto ambiental, os processos de separação de gases vem sendo alvo de diversas transformações. Procedimentos clássicos, como a destilação criogênica e a adsorção por diferença de pressão (PSA) estão dando espaço a aplicação de membranas, materiais com propriedades de separar gases a partir da diferença de potencial químico, agindo como filtros de moléculas. Atualmente as membranas comerciais são produzidas a partir de materiais poliméricos, porém apresentam limitações em condições de operação e capacidade de purificação. Neste contexto, as membranas fabricadas por materiais inorgânicos, onde se destacam as membranas de carbono, são alvo de estudos. As membranas de carbono são produzidas a partir da pirólise de precursores poliméricos e apresentam alta capacidade de purificação por separarem moléculas com diâmetros cinéticos próximos, pelo mecanismo de peneiramento molecular, e ainda apresentam alta resistência mecânica, térmica e química. Atualmente as membranas de carbono não estão inseridas no mercado pela sua baixa produtividade e seletividade insuficiente para certas separações. Este trabalho apresenta duas alternativas distintas para melhorar o desempenho das membranas de carbono: o uso de um aditivo metálico (zinco) e o tratamento das membranas com um reagente silano viniltrimetoxisilano (VTMS). As membranas precursoras foram produzidas na conformação de fibra oca a partir da técnica de extrusão com inversão de fases, usando os polímeros poliéterimida (PEI) e polivinilpirrolidona (PVP K-90), na proporção 17/6 % (m/m), respectivamente. A fonte do aditivo metálico foi o acetato de zinco nas proporções 1, 2 e 5 % (m/m), diretamente na solução e na água após o banho de inversão de fases. O tratamento com VTMS foi feito a partir da imersão das fibras no reagente em concentração de 10 % (m/m) em hexano, após as fibras permaneceram 24 horas em atmosfera com umidade relativa 100%. As membranas de carbono foram produzidas com um único protocolo de pirólise, com temperatura final de 550 °C, em atmosfera de N2. Análises de DRX permitiram verificar que o zinco permaneceu na membrana como óxido de zinco, o que gerou um aumento de até 2,5x na seletividade do Hélio para separação dos pares He/N2 e He/CH4. Imagens de MEV evidenciam que o tratamento VTMS proporcionou a manutenção da morfologia da membrana, o tratamento levou ao aumento da permeância em até 4x para o CO2, mantendo uma seletividade atrativa para a separação CO2/CH4. O uso concomitante do tratamento VTMS com o zinco reduziu o desempenho geral da membrana.