Impregnação de amina em sílica sintetizada a partir de cinzas leves de carvão mineral para aplicação em captura de CO2

Abstract

O aquecimento global e as mudanças climáticas são amplamente relacionados com a quantidade de CO2 emitida pela queima dos combustíveis fósseis e a sua mitigação por meio da adsorção empregando materiais porosos com aminas impregnadas, é uma das alternativas sugeridas à captura empregando aminas líquidas, processo que hoje tem a maior aplicação industrial. A adsorção, com esses materiais funcionalizados busca minimizar os principais problemas do processo de absorção, como a corrosão causada pela utilização das aminas, além do seu elevado custo de regeneração. Ainda, a possibilidade de síntese dos materiais suportes a partir de resíduos industriais, torna o método mais atrativo. Nesse contexto, o trabalho teve como objetivo a síntese de sílica a partir de cinzas leves de carvão mineral e impregnação de aminas para emprego em captura de CO2. Testes de fusão das cinzas com Na2CO3 foram realizados, e os parâmetros relação mássica cinza/ Na2CO3 1:0,5; fundidos por 1 h a 850 °C foram identificados como adequados ao processo. Na sequência, os melhores parâmetros foram adotados para dar continuidade com testes de lixiviação, realizados por meio de um planejamento experimental. A partir de análises no Software Statistica, de resultados de DRX e de propriedades texturais, a melhor condição de lixiviação encontrada empregou uma solução de ácido clorídrico 8M, por 1 h em temperatura ambiente (amostra S.81). A sílica produzida apresentou área superficial superior a 200 m²/g e volume de poros superior a 0,16 cm³/g. Definido o suporte, as aminas PEI e TEPA foram impregnadas por via úmida em diferentes percentuais. A concentração na fase adsorvida na pressão parcial de 0,07 atm e em diferentes temperaturas foi avaliada e os melhores resultados foram obtidos à 85 ºC, confirmando a possibilidade de aplicação em processos TSA. Ainda nessas condições, as melhores concentrações na fase adsorvida obtidas foram para as amostras com 50% de PEI (1,304 mmol/g) e 60% de TEPA (2,086 mmol/g). O mesmo percentual de amina foi impregnado em um suporte obtido a partir de matérias-primas nobres e uso de direcionador (SBA-15), para fins de comparação, obtendo-se resultados de 2,642 mmol/g para a amostra com PEI e de 3,332 mmol/g para a amostra com TEPA. Por fim, na aplicação cíclica, as amostras com impregnação de TEPA mostraram uma perda de mais de 20% de massa e cerca de 50% da concentração de CO2 na fase adsorvida. Para as amostras impregnadas com PEI, a perda de massa foi de cerca de 2%, mantendo 85% da concentração de CO2 na fase adsorvida. Para as aminas impregnadas de forma combinada, os resultados obtidos não foram satisfatórios, sendo que para um ciclo os resultados encontrados estiveram dentro da faixa de valores prevista para a mistura PEI com TEPA. Porém, a degradação desta amostra foi muito superior às das amostras com aminas puras.

Abstract: Global warming and climate change are largely related to the CO2 emitted by the burning of fossil fuels and the mitigation of this through adsorption using porous materials with impregnated amines is one of the suggested alternatives to the capture using liquid amines, a process that today has the highest industrial application. Adsorption with these functionalized materials seeks to minimize the main problems of the absorption process, such as corrosion suffered by amines, in addition to the high regeneration cost. Furthermore, the possibility of synthesizing support materials from industrial waste makes the method more attractive. In this context, the work aimed at the synthesis of silica from coal ash and amine impregnation for use in CO2 capture. Fusion tests of the ashes with Na2CO3 were carried out, and the parameters ash mass ratio/Na2CO3 1:0.5; melted for 1 h at 850 °C were identified as suitable for the process. Subsequently, the best parameters were adopted to continue with leaching tests, carried out through an experimental design. From analysis in Statistica Software, XRD results and textural properties, the best leaching condition found used an 8M hydrochloric acid solution for 1 h at room temperature (S.81 sample). The silica produced had a surface area greater than 200 m²/g and a pore volume greater than 0.16 cm³/g. Once the support was defined, the amines PEI and TEPA were wet impregnated in different percentages. The concentration in the adsorbed phase at a partial pressure of 0.07 atm and at different temperatures was evaluated and the best results were obtained at 85 ºC, confirming the possibility of application in TSA processes. The best adsorption capacities were obtained for samples with 50% PEI (1.304 mmol/g) and 60% TEPA (2.086 mmol/g). The same percentage of amine was impregnated in a support obtained from noble raw materials and using a director (SBA-15), for comparison purposes, obtaining results of 2.642 mmol/g for the sample with PEI and of 3.332 mmol/g for the TEPA sample. Finally, in the cyclic application, the samples with TEPA impregnation showed a loss of more than 20% of mass and about 50% of the concentration of CO2 in the adsorbed phase. For samples impregnated with PEI, the mass loss was around 2%, maintaining 85% of the CO2 concentration in the adsorbed phase. For the combined impregnated amines, the results obtained were not satisfactory, and for one cycle the results found were within the range of values predicted for the mixture PEI with TEPA. However, the degradation of this sample was much higher than the samples with pure amines.