Produção e caracterização de membranas cerâmicas mistas para separação de oxigênio

Abstract

Nesta dissertação foram produzidas membranas de condução mista iônica-eletrônica (MIEC) com estrutura perovskita. Esse tipo de membrana cerâmica possui a capacidade de separar seletivamente o oxigênio do ar ou de outras misturas gasosas contendo oxigênio através de processos iônicos e eletrônicos, onde o oxigênio do ar é permeado pela membrana de forma iônica, enquanto que elétrons caminham no sentido contrário para manter a neutralidade elétrica da membrana. Membranas com a composição do tipo BSCF 5582 com três diferentes espessuras foram produzidas pelo método Pechini modificado (sol-gel com rota de complexação EDTA-citrato) e submetidas à análise de caracterização para confirmar sua estrutura, propriedades e condução. Fatores que alteram a permeação de oxigênio, como gradiente de pressão parcial de oxigênio, espessura, temperatura e composição do material, foram estudados para melhor compreensão do funcionamento das membranas. Outros fatores que aumentam o desempenho das membranas, como deposição das membranas sobre substratos porosos, deposição de camadas catalíticas e substituição parcial da composição original por outros elementos, também foram estudados. Padrões de difração de raios-X mostraram a formação de uma estrutura cristalina do tipo cúbica. As micrografias de amostras sinterizadas mostraram baixa porosidade e diâmetro médio de grãos de 10 ?m. Fluxos de permeação de oxigênio foram medidos entre 700 e 900°C, atingindo um valor máximo de 2,38 ml?min-1?cm-2 a 900°C para uma membrana MIEC com 1,02 mm de espessura e fluxo de gás de arraste (Ar) de 100 ml?min-1. Análises termogravimétrica e iodométrica possibilitaram o cálculo do teor de vacâncias de oxigênio a temperatura ambiente, chegando à composição final de Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O2,6. <br>

Abstract: In this thesis mixed ionic-electronic conducting membranes (MIEC) with perovskite structure were produced. This kind of ceramic membrane has the ability to separate selectively oxygen from air or other gas mixtures containing oxygen through electronic and ionic processes, where oxygen from the air is permeated by ionic transport, while electrons move in the opposite direction to maintain the electrical neutrality of the membrane. Thus, these membranes are useful in industrial processes that require oxygen supply. BSCF 5582 membranes with three different thicknesses were produced by modified Pechini method (sol-gel route complexation with citrate-EDTA) and analyzed for characterization to confirm their structure, properties and conduction. Factors that affect the oxygen permeation, such as partial pressure gradient, thickness, material composition and temperature were studied to better understand the functioning of the membranes. Other factors that increase the performance of the membranes, such as deposition of membranes on porous substrates, deposition of catalyst layers and partial substitution of the original composition by other elements were also studied and will serve as a basis for future studies. X-ray diffraction patterns showed the formation of a cubic crystalline structure. The micrographs of sintered samples showed low porosity and average grain diameter of 10 µm. Oxygen permeation fluxes were measured between 700 and 900°C, reaching a maximum of 2.38 ml ·min-1·cm-2 at 900 ° C for a MIEC membrane with 1.02 mm thickness and sweep gas flow (Argon) of 100 ml·min-1. Thermogravimetric and iodometric analysis allowed the calculation of the oxygen vacancy content at room temperature, reaching the final composition Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O2.6.