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Tecnologia reduz significativamente consumo de energia e emissões nos processos de separação de gases

Fonte

MIT | Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Data

quarta-feira, 30 março 2022 16:35

Áreas

Energia. Gestão de Resíduos. Inovação. Nanotecnologia. Química. Tecnologias.

Processos industriais para separações químicas, incluindo purificação de gás natural e produção de oxigênio e nitrogênio para uso médico ou industrial, são coletivamente responsáveis ​​por cerca de 15% do uso de energia do mundo. Eles também contribuem com uma quantidade correspondente para as emissões mundiais de gases de efeito estufa. Agora, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e da Universidade Stanford, nos Estados Unidos, desenvolveram um novo tipo de membrana para realizar esses processos de separação com aproximadamente 1/10 do consumo de energia e emissões.

O uso de membranas para separação de produtos químicos é conhecido por ser muito mais eficiente do que processos como destilação ou absorção, mas sempre houve uma troca entre permeabilidade – a rapidez com que os gases podem penetrar no material – e seletividade – a capacidade de deixar as moléculas desejadas passarem enquanto outras são bloqueadas. A nova família de materiais de membrana, baseada em polímeros de ‘escada de hidrocarboneto’, supera essa compensação, proporcionando alta permeabilidade e seletividade extremamente boa, disseram os pesquisadores.

Os resultados foram publicados na revista Science, em um artigo com a participação do Dr. Yan Xia, professor de Química em Stanford; do Dr. Zachary Smith, professor de Engenharia Química no MIT; Dr. Ingo Pinnau, professor da Universidade King Abdullah de Ciência e Tecnologia (KAUST), e mais cinco pesquisadores.

A separação de gases é um processo industrial importante e difundido, cujos usos incluem a remoção de impurezas e compostos indesejados do gás natural ou biogás, separação de oxigênio e nitrogênio do ar para fins médicos e industriais, separação de dióxido de carbono de outros gases para captura de carbono e produção de hidrogênio para uso como combustível de transporte isento de carbono. As novas membranas de polímero em escada são promissoras por melhorar drasticamente o desempenho de tais processos de separação. Por exemplo, separando o dióxido de carbono do metano, essas novas membranas têm cinco vezes a seletividade e 100 vezes a permeabilidade das membranas celulósicas existentes para esse fim. Da mesma forma, elas são 100 vezes mais permeáveis ​​e três vezes mais seletivas para separar o gás hidrogênio do metano.

O novo tipo de polímeros, desenvolvido ao longo dos últimos anos no laboratório do Dr. Yan Xia, são chamados de ‘polímeros em escada’ porque são formados a partir de fitas duplas conectadas por ligações semelhantes a degraus, e essas ligações proporcionam um alto grau de rigidez e estabilidade ao material polimérico. Esses polímeros de escada são sintetizados por meio de uma química eficiente e seletiva que o laboratório de Xia desenvolveu chamada CANAL, um acrônimo para catalytic arene-norbornene annulation, que ‘costura’ produtos químicos prontamente disponíveis em estruturas de escada com centenas ou até milhares de degraus. Os polímeros são sintetizados em uma solução, onde formam fitas rígidas e dobradas que podem ser facilmente transformadas em uma folha fina com poros em escala subnanométrica usando processos de fundição de polímeros disponíveis industrialmente. Os tamanhos dos poros resultantes podem ser ajustados através da escolha dos compostos iniciais de hidrocarbonetos específicos. “Essa química e a escolha dos blocos de construção químicos nos permitiram fazer polímeros de escada muito rígidos com diferentes configurações”, disse o Dr. Yan Xia.

Para aplicar os polímeros do tipo CANAL como membranas seletivas, a colaboração fez uso da experiência do Dr. Xia em polímeros e da especialização do Dr. Smith em pesquisa de membranas. Holden Lai, um ex-aluno de doutorado de Stanford, realizou grande parte do desenvolvimento e exploração de como suas estruturas afetam as propriedades de permeação de gás. “Demoramos oito anos desde o desenvolvimento da nova química até encontrar as estruturas poliméricas certas que conferem o alto desempenho para a separação”, disse o professor Yan Xia.

Hoje, 15% do uso global de energia vai para separações químicas, e esses processos de separação são “muitas vezes baseados em tecnologias centenárias. Eles funcionam bem, mas têm uma enorme pegada de carbono e consomem enormes quantidades de energia. O principal desafio hoje é tentar substituir esses processos insustentáveis”, disse o Dr. Zachary Smith.

A equipe de pesquisadores continua refinando o processo para facilitar o desenvolvimento para a escala industrial e para entender melhor os detalhes de como as estruturas macromoleculares e o empacotamento resultam na seletividade ultra-alta. O Dr. Smith disse que espera que essa tecnologia desempenhe um papel em vários caminhos de descarbonização, começando com a separação de hidrogênio e captura de carbono, porque há uma necessidade premente dessas tecnologias para fazer a transição para uma economia livre de carbono.

“Estas são novas estruturas impressionantes que têm um excelente desempenho de separação de gases”, disse o Dr. Ryan Lively, professor de Engenharia Química e Biomolecular di Instituto de Tecnologia da Georgia (Georgia Tech), que não esteve envolvido no trabalho. “É importante ressaltar que esse desempenho é aprimorado durante o envelhecimento da membrana e quando as membranas são desafiadas com misturas concentradas de gases. Se eles puderem dimensionar esses materiais e fabricar módulos de membrana, haverá um impacto prático potencial significativo”, concluiu o professor Ryan Lively.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (em inglês).

Fonte: David L. Chandler, MIT News Office. Imagem: Divulgação, MIT.