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Engenharias | Raíssa de Araujo Serpa, Liliane Damaris Pollo e Raiane Valenti Gonçalves apontam que membranas contendo polímero polianilina (PAni) são mais eficazes na separação de gases O2/N2
Nesta edição, o JU apresenta uma série de artigos com relatos de pesquisas premiadas no último Salão de Iniciação Científica (SIC). Dessa forma, destacamos a pluralidade do conhecimento produzido na Universidade e a importância da formação de jovens pesquisadores para o desenvolvimento e a qualificação da ciência brasileira. As imagens dos artigos compõem um ensaio produzido pelo bolsista de Fotografia do JU, Marcelo Pires.
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Em diversas áreas da indústria são usadas correntes de gases purificados para a produção de uma variedade de produtos. Na indústria do petróleo e gás, os gases hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano, etano, eteno, oxigênio, nitrogênio, entre outros, são utilizados para a produção de combustíveis e polímeros que, após processamento, resultam em produtos essenciais do nosso dia a dia, como utensílios de bem-estar, embalagens, filmes plásticos e materiais para a construção civil. Na área hospitalar, de eletrônicos e de semicondutores, o oxigênio purificado é um gás de extrema importância e a capacidade de separá-lo do ar permite a sua utilização eficiente e segura.
Para purificar esses gases existem diversos processos, como a destilação fracionada, a absorção e adsorção, que são tradicionalmente utilizados. Essas tecnologias apresentam, entretanto, elevado custo energético envolvido nas etapas de separação, evidenciando a necessidade de soluções mais eficientes. A separação por membranas destaca-se em relação a outros métodos, principalmente pela menor demanda de energia para a separação dos gases. Além disso, a operação do sistema é mais simples e o processo é modular, permitindo facilidade de escalonamento para aplicações industriais de grande porte.
Outra grande vantagem é, por exemplo, produzir o gás oxigênio in loco, ou seja, próximo ao ponto de consumo, reduzindo gastos relacionados ao transporte e também facilitando a utilização de forma contínua. Na figura abaixo estão demonstrados um processo de separação dos gases oxigênio e nitrogênio por membranas e alguns setores da indústria que consomem o oxigênio no processo produtivo.
A membrana que é utilizada neste processo, conforme desenho esquemático mostrado na figura abaixo, consiste de uma barreira física seletiva e semipermeável que permite a separação de uma mistura de gases. A mistura dos gases contidos no ar atmosférico, oxigênio (O2) e nitrogênio (N2), principalmente, é alimentada à membrana e, por diferença de tamanho, os gases são separados. A membrana pode ser comparada a uma peneira que separa os gases pelas diferenças de tamanhos (diâmetro cinético). O gás de maior tamanho fica retido, e o de menor tamanho passa através dela.
A pesquisa realizada no Laboratório de Desenvolvimento de Novos Materiais e Processos (LADENMP) da Engenharia Química da UFRGS, vinculado ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Química (PPGEQ), é parte de um projeto de desenvolvimento de materiais para a fabricação de membranas utilizadas em diversos setores da indústria. Nessa pesquisa foram desenvolvidas membranas de carbono suportadas (MCSs) a partir da incorporação do polímero polianilina (PAni) no polímero precursor de poli(éter imida) (PEI). O objetivo principal desse estudo foi avaliar a influência da incorporação da PAni no processo de fabricação da membrana e avaliar o desempenho de separação dos gases O2/N2. A PAni é um polímero conhecido por suas excelentes propriedades condutoras, e a sua escolha se deveu à possibilidade de interação das cargas positivas com o gás oxigênio, propiciando um aumento da seletividade, ou seja, o aumento da eficiência de separação.
Para atingir os objetivos, o estudo consistiu em algumas etapas, que envolveram a fabricação do suporte de alumina pelo método de prensagem a seco; a síntese do polímero PAni na forma de sal esmeraldina utilizando ácido clorídrico e persulfato de amônio como agentes dopantes e oxidantes, respectivamente; a incorporação da PAni à solução polimérica precursora de PEI e N-metil-2-pirrolidona; e a deposição da dispersão resultante (PEI/PAni) sobre um suporte de alumina plano; a pirólise (aquecimento controlado em atmosfera inerte) da membrana polimérica suportada. As imagens do suporte e das membranas suportadas podem ser visualizadas na figura abaixo. As amostras foram caracterizadas quanto à morfologia por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e testes de desempenho foram conduzidos por meio da permeação de gases puros (O2 e N2) em temperatura ambiente.
Os resultados de morfologia revelaram a eficiente síntese das fibras de PAni, além da formação de uma camada seletiva de carbono livre de defeitos. Os testes de desempenho apontaram um aumento de nove vezes na seletividade dos gases para a membrana de carbono contendo a PAni em comparação com membranas compostas apenas por PEI. Esse aumento pode ser atribuído à interação entre o gás O2 e as cargas residuais presentes nos átomos da PAni. Além disso, os anéis de benzeno da PAni podem proporcionar uma elevada densidade de elétrons, dificultando o transporte de gases como o N2.
Esses resultados demonstraram que foi possível aumentar a eficiência de separação dos gases O2/N2 por meio do desenvolvimento de membranas de carbono que continham um polímero condutor, a PAni, que conferiu maior afinidade ao gás oxigênio com o material da membrana.
Como perspectivas, pretende-se aprofundar a investigação dos fenômenos envolvidos na separação desses gases por membranas, aumentar a sua escala e promover a pesquisa e o desenvolvimento dessa área no Brasil.
Raíssa de Araujo Serpa é graduanda em Engenharia Química pela UFRGS.
Liliane Damaris Pollo é professora adjunta do departamento de Engenharia Química da UFRGS.
Raiane Valenti Gonçalves é doutora em Engenharia e Tecnologia de Materiais pela PUCRS.