Partículas Minerais Sílico-Metálicas Sintéticas (SSMMP) como cargas em membranas de matriz mista para separação de CO2 de gases pós-combustão

Abstract

As membranas de matriz mistas (MMMs) foram concebidas para combinar as propriedades de uma matriz polimérica com um enchimento inorgânico seletivo, aprimorando propriedades mecânicas e químicas, bem como a separação de CO2. Neste estudo, a polissulfona, um polímero com boa seletividade ao CO2, foi combinada com as partículas minerais sílico-metálicas sintéticas (SSMMPs), produzidas em um processo preliminar ao talco sintético. A estrutura química de sua molécula apresenta grande quantidade de grupos hidroxila, se tornando um material atraente para compatibilidade com polímeros e produção de membranas com alta seletividade à mistura CO2/N2. As SSMMPs também foram combinadas com líquidos iônicos (Im(nBu)Tf2N e Im(nBu)I), uma vez que é conhecido na literatura, a capacidade em aumentar a afinidade com o CO2. As MMMs foram sintetizadas e caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia dispersiva de energia (EDS), análise termogravimétrica (TGA), calorimetria exploratória diferencial (DSC), difração de raios-X (DRX) e microscopia de força atômica (AFM). As análises de permeabilidade foram medidas em triplicata e conduzidas na temperatura de 25°C e pressão de 0,4MPa. Os resultados obtidos demonstram que após a adição de SSMMP puro e SSMMP/Im(nBu)Tf2N, a seletividade das membranas aumentou em todas as concentrações utilizadas. Usando SSMMP/Im(nBu)I, as seletividades foram majoritariamente reduzidas, enquanto a permeabilidade foi aumentada em todas as concentrações estudadas. O melhor resultado corresponde a amostra com 2% em massa de SSMMP/Im(nBu)Tf2N, cuja seletividade foi de 71,9, valor 4 vezes superior a amostra de polissulfona pura. Os resultados sugerem que as MMMs produzidas, neste trabalho, têm potencial para uso em aplicações de separação de CO2.

Mixed Matrix Membranes (MMMs) are designed to combine the properties of a polymeric matrix with a selective inorganic filler, enhancing mechanical and chemical properties as well as CO2 separation. In this study, polysulfone, a polymer with good CO2 selectivity, was combined with synthetic silico-metallic mineral particles (SSMMPs), produced in a preliminary process to synthetic talc. The chemical structure of SSMMP presents a large number of hydroxyl groups, making it an attractive material for compatibility with polymers and the production of membranes with high selectivity to the CO2/N2 mixture. SSMMPs were also combined with ionic liquids (Im(nBu)Tf2N e Im(nBu)I), know from the literature for the ability of increasing affinity with CO2. MMM were synthesized and characterized by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM). Permeability analyses were measured in triplicate, at a temperature of 25°C and pressure of 0.4MPa. The results demonstrate that after adding bare SSMMP and SSMMP/Im(nBu)Tf2N, the selectivity of the membranes increased at all concentrations used. Using SSMMP/Im(nBu)I, selectivity was reduced, while permeability was increased at all concentrations studied. The best result corresponds to the sample with 2% by mass of SSMMP/Im(nBu)Tf2N, whose selectivity was 71,9, a value 4 times higher than the pure polysulfone sample. The results suggest that the manufactured MMMs have potential for use in CO2 separation applications.