Variação dos parâmetros de produção de compósito zeólita NaLTA/polidimetilsiloxano para maximizar a seletividade de separação CO2/N2 por adsorção

Abstract

O fenômeno do aquecimento global representa a principal questão ambiental contemporânea, sendo o dióxido de carbono (CO2) identificado como o principal agente responsável. Diante dessa perspectiva, inúmeras pesquisas têm sido realizadas com o objetivo de desenvolver estratégias eficazes para mitigar ou reduzir a emissão desse gás na atmosfera. Dentre esses estudos, os processos adsortivos utilizando materiais como zeólitas e compostos híbridos aparecem como uma possibilidade de minimizar este problema, através da captura e separação de CO2. Desta forma, este trabalho apresenta a síntese de zeólita NaLTA utilizando metacaulim e hidróxido de sódio através do método hidrotermal, seguido da produção de compósitos de zeólita com PDMS para aplicação na captura e separação de CO2 a partir de misturas gasosas contendo CO2/N2. Além disso, com o intuito de verificar o potencial de seletividade na separação CO2/N2 por adsorção, os compósitos foram produzidos e avaliados quanto aos efeitos de variações no processo de produção em três etapas: i) aumento da proporção em peso de zeólita NaLTA inseridas no PDMS; ii) solução do PDMS diluída em álcool isopropílico, e; iii) alteração na taxa de mistura dos componentes do PDMS, A (mistura de polímeros líquidos do PDMS e silicones) e B (agente reticulante). Os materiais foram caracterizados por meio das análises de área superficial, DRX, FTIR e MEV. Os resultados indicaram uma ótima formação estrutural e alta cristalinidade para a zeólita, e a análise de área específica de adsorção/dessorção de argônio a 77K revelaram peneira molecular com estrutura microporosa. A análise de FTIR dos compósitos em comparação à análise da zeólita NaLTA e do PDMS, sugeriu que as cargas de zeólita foram inseridas com sucesso na matriz do PDMS. Além disso, as imagens de MEV indicaram interação interfacial positiva entre zeólita e matriz polimérica na maioria dos compósitos. Em relação à separação dos gases, os testes de sorção de gases puros (CO2 e N2) foram aplicados à temperatura ambiente (23°C) de 0 a 7500 mmHg. E, com base no estudo dos efeitos de variações dos parâmetros na composição dos compósitos realizados, o compósito C44 com concentração de zeólita a 44%, foi listado como o que obteve melhor resultado, tanto na análise estrutural quanto na capacidade adsortiva, atingindo uma seletividade de 44,8 para CO2/N2 a 1000 mmHg. Por fim, a análise do ciclo de sorção indicou que o N2 não interfere na atribuição de peneira molecular do compósito C44 para separação de CO2 na mistura, além disso, o compósito preserva sua boa estabilidade quando submetido à pressão contínua.

Abstract: The global warming phenomenon represents the main contemporary environmental issue, with carbon dioxide (CO2) being identified as the main responsible agent. In view of this perspective, numerous studies have been conducted aiming to develop effective strategies to mitigate or reduce the emission of this gas into the atmosphere. Among these studies, the adsorptive processes using materials like zeolites and hybrid compounds appear as a possibility to minimize this problem, through the capture and separation of CO2. So, this study presents the synthesis of NaLTA zeolite using metakaolin and sodium hydroxide through the hydrothermal method, followed by the production of composites with PDMS for application in CO2 capture and separation from CO2/N2 gaseous mixture. Moreover, to verify the selectivity potential for CO2/N2 separation by adsorption, the composites were produced and evaluated regarding the effects of optimizing the production process in three steps: i) increase in the weight ratio of the NaLTA zeolite particles into the PDMS; ii) PDMS solution diluted in isopropyl alcohol, and; iii) change in the mixing rate of PDMS components A (mixture of liquid PDMS polymers and silicones) and B (crosslinking agent). Furthermore, the materials were characterized by surface area, XRD, FTIR, and SEM analyses. The results indicated a great structural formation and high crystallinity for the zeolite. As for its specific area, argon adsorption/desorption analysis at 77K was carried out, and it revealed the microporous structure of the zeolite. The FTIR analysis of the composites was compared to the Zeolite NaLTA and PDMS analysis, and it suggested that zeolite particles were successfully inserted into the PDMS matrix. In addition, the SEM images indicated positive interfacial interaction between zeolite particles and polymer matrix in most composites. Regarding the gas separation, the pure gas adsorption tests (CO2 and N2) were applied at room temperature (23°C) up to 7500 mmHg. And, based on the optimization study carried out in this work, the C44 composite with zeolite at 44%, was listed as the one with the best result, both in structural analysis and in adsorptive capacity, reaching a selectivity of 44.8 for CO2/N2 at 1000 mmHg. Finally, the sorption cycle analysis indicates that N2 does not interfere with the assignment of the C44 composite's molecular sieve for CO2 separation, moreover, the composite preserves its good stability when subjected to continuous pressure.