Cientistas no Japão projetaram um sistema de torre adsorvente do tipo portão que captura e separa gases mistos, CO2, para permitir a redução das emissões de gases de efeito estufa de fontes industriais. Crédito:Shotaro Hiraide Ph.D., Departamento de Engenharia Química, Universidade de Kyoto
O Acordo de Paris de 2015 estabeleceu uma meta de redução de CO 2 emissões, um gás de efeito estufa que causou o aquecimento global a níveis de menos de 2 ° C a mais do que antes da Revolução Industrial. Para atingir esse objetivo, é necessário reduzir o consumo de energia industrial, metade do qual é usado em processos de separação para purificação, destilando e secando produtos químicos. É preciso muita energia e é caro separar uma mistura de moléculas. Em outras palavras, o desenvolvimento de uma tecnologia de separação altamente eficiente e com economia de energia é um dos desafios mais importantes que o mundo enfrenta hoje, do qual CO 2 separação e captura é uma alta prioridade para reduzir os gases de efeito estufa.
O método de separação por adsorção para separar uma mistura de moléculas faz uso da propriedade de que moléculas específicas são adsorvidas em um material poroso. É assim que funcionam os filtros purificadores de água e o carvão desodorizante em geladeiras. Quando uma mistura de gás é derramada de uma extremidade de uma torre de adsorção preenchida com um material poroso (adsorvente), moléculas que interagem fortemente com o adsorvente são capturadas nos poros. Algumas moléculas com uma interação fraca com o adsorvente também são adsorvidas nos poros, mas a maioria passa e flui para fora da torre de adsorção. As moléculas levadas para os poros são recuperadas ou dessorvidas por aquecimento ou despressurização do conteúdo da torre de adsorção. A fim de adsorver moléculas seletivamente em um adsorvente, há necessidade de uma interação mais forte, mas a energia necessária para a dessorção aumenta de acordo. A chave para melhorar muito a eficiência da separação por adsorção é encontrar adsorventes com certas propriedades contraditórias que podem adsorver seletivamente grandes quantidades de moléculas e facilmente dessorvê-las.
Os processos de adsorção de oscilação de vácuo de pressão (PVSA) e adsorção de oscilação de temperatura (TSA), que são ambos métodos de separação de gás usando materiais porosos, pode ser mais eficiente em termos de energia do que a destilação, que requer fervura seletiva e condensação. Contudo, PVSA e TSA têm suas limitações. É difícil conseguir uma separação de alto rendimento com essas técnicas porque a perda de pressão é causada devido à ampliação necessária do sistema, bem como ao esmagamento de adsorventes na parte inferior da coluna de adsorção. Esforços anteriores para resolver esses problemas causaram outros problemas, como calor gerado por adsorção, o que resulta em uma diminuição da capacidade de adsorção, portanto, é necessário encontrar um novo material de adsorção que exiba uma grande capacidade de carga, alta seletividade e calor mínimo de adsorção, que são, na verdade, características conflitantes com materiais conhecidos.
Portanto, o foco desta pesquisa foi em "adsorventes do tipo portão". A grande característica desse material é que ele possui uma estrutura flexível. Os pesquisadores trabalharam com ELM-11, uma estrutura metal-orgânica flexível (MOF), que é um material poroso com propriedades de "abertura da porta" e "fechamento da porta" exibidas em pressões de gás específicas. Os poros do ELM-11 estão fechados e não adsorve CO 2 quando a concentração de CO 2 contido na mistura de gás é baixo, mas se expande rapidamente quando o CO 2 a concentração excede um certo valor limite, e abre os poros para capturar CO 2 moléculas. Uma vez que o comportamento de abertura e fechamento dos poros é como um portão, é chamado de adsorvente do tipo portão. ELM-11 deforma sua estrutura para encapsular CO 2 moléculas, e, portanto, exibe alto CO 2 seletividade. Além disso, ELM-11 contrai sua estrutura e libera todo o CO adsorvido 2 moléculas quando o CO 2 a concentração na mistura de gás cai abaixo de um valor limite. Em outras palavras, ELM-11 tem propriedades que são altamente adequadas para CO 2 adsorção e separação. Ele adsorve CO seletivamente 2 e facilmente dessorve CO 2 .
Para a aplicação do mundo real da separação por adsorção de CO 2 contido no gás de exaustão, uma grande quantidade de gás deve ser processada em alta velocidade. O problema é a geração de calor associada ao CO 2 adsorção. Em adsorventes "duros" tradicionais, o calor de adsorção aumenta a temperatura, resultando em redução de CO 2 adsorção e redução de CO 2 seletividade. ELM-11, que tem uma estrutura flexível, expande quando recebe CO 2 moléculas. O grupo de pesquisa focou na possibilidade de que a expansão do ELM-11 possa gerar calor frio e suprimir efetivamente o aumento de temperatura devido ao CO 2 adsorção.
Primeiro, eles conduziram um experimento de adsorção de gás em ELM-11 e conduziram uma variedade de estudos computacionais para quantificar o CO 2 capacidade de separação do ELM-11. Eles compararam os dados de desempenho com HKUST-1, um adsorvente convencional que é considerado o mais promissor para separar CH4 e CO 2 misturas de gases. Os dados mostraram que ELM-11 tem um CO 2 seletividade 9,7 vezes a do HKUST-1. O CO 2 quantidade de recuperação por peso de adsorvente é 2,1 vezes maior do que HKUST-1, que não tem capacidade de gerenciamento térmico intrínseco. ELM-11 provou ser extremamente adequado para sistemas de separação por adsorção de alta velocidade.
Os pesquisadores projetaram um sistema de separação de adsorção de alta velocidade que consiste em torres de adsorção de dois estágios, um embalado com HKUST-1. Quando o CO 2 a concentração contida na mistura de gás excede um certo valor limite, ELM-11 se expande rapidamente e abre os poros, adsorvendo CO 2 moléculas. Isso significa que quando o CO 2 a concentração no gás cai para o limite devido ao CO 2 adsorção em ELM-11, o CO restante 2 não é adsorvido e flui com CH4, o que significa que o gás CH4 de alta pureza não é obtido. Portanto, para evitar este problema, os pesquisadores instalaram uma pequena coluna de adsorção preenchida com HKUST-1 que possui excelentes características de adsorção para CO de baixa concentração 2 gás, no último estágio da coluna de adsorção preenchida com ELM-11. Eles realizaram uma medição inovadora para uma mistura de gás de CH4 e CO 2 usando uma pequena coluna de adsorção de dois estágios, e foi capaz de confirmar que gás CH4 de alta pureza foi obtido.
O sistema de torre de adsorção de dois estágios permite a redução do volume total da torre, reduz a quantidade de adsorvente usado, e reduz o consumo de energia. À primeira vista, o sistema é baseado em uma ideia simples, mas foi possível reduzir o tamanho do sistema significativamente desta forma, projetando a torre de adsorção de primeiro estágio de modo que as características do ELM-11 possam ser totalmente exibidas. O sistema de hibridização utilizando as características do ELM-11 e HKUST-1 funcionou de forma extremamente eficaz.
Os pesquisadores precisaram esclarecer três questões para ver se o ELM-11 possuía as qualidades necessárias para um processo de separação de alto rendimento na vida real. Primeiro, era necessário que a resposta da estrutura do host para a abertura do portão fosse muito rápida. Em segundo lugar, as propriedades de separação devem funcionar para condições não isotérmicas, o que não foi previamente informado ao conhecimento dos pesquisadores. Em terceiro lugar, o fenômeno de "escorregamento" causado por uma diminuição na pressão parcial do gás abaixo da pressão de abertura da comporta, o que torna o MOF flexível incapaz de adsorver as moléculas que precisam ser tratadas. ELM-11 mostrou que os pesquisadores são capazes de superar esses três problemas, o problema de "escorregamento" pode ser gerenciado com a torre de adsorção de dois estágios.
Além disso, este sistema pode ser aplicado ao tratamento de gases de escape de CO 2 fontes de emissão, como usinas termelétricas. A fim de colocar este sistema de adsorção / separação de alta velocidade que usa um adsorvente do tipo de porta em uso prático, o impedimento de abertura do portão devido à peletização de MOFs flexíveis, e a queda de pressão devido à expansão do volume de pellets precisa ser tratada. A equipe já começou a lidar com essas questões.
As realizações desta pesquisa abriram as portas para uma nova era na separação de gases. O autor correspondente, Hideki Tanaka, da Universidade Shinshu, afirma que, "o estudo levou 3 anos para ser publicado, pelo que somos muito gratos porque os vários comentários dos revisores foram muito esclarecedores e as reescritas subsequentes tornaram o estudo mais inovador e melhor, o que acabou levando à publicação do artigo em Nature Communications . Estou muito feliz que o trabalho árduo do primeiro autor Shotaro Hiraide, da Universidade de Kyoto, foi finalmente recompensado. "
