A carregar...
Publicação
Poly(ethylene glycol) diacrylate Iongel membranes reinforced with nanoclays for CO2 separation
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 3.83 MB | Adobe PDF |
Orientador(es)
Resumo(s)
The continuous consumption of fossil fuels has elevated the concentration of carbon dioxide (CO2) in the atmosphere with severe consequences for the environment. Membrane technology emerged as a potential solution to separate CO2 from light gases, contributing to Carbon Capture and Storage (CCS). Within the several materials studied for the preparation of membranes, ionic liquids (ILs) are some of the most interesting, mainly due to their tunable properties and good affinity towards CO2. In this line, iongel membranes combining high IL loadings (≥ 60 wt%) incorporated into a poly(ethylene glycol) (PEG) based polymer network cross-linked by ultraviolet (UV) radiation have been developed. One of the main challenges faced when fabricating these iongel membranes is their limited mechanical resistance due to a gel-like nature, which becomes more accentuated when the concentration of IL increases. To overcome this problem, the addition of low amounts of nanoclay particles (≤ 1 wt%) into the iongel membranes is suggested in this work as a way to reinforce their structure.
Self-standing iongel mixed matrix membranes (MMMs) that were solid yet malleable were prepared in a simple single-pot with different loadings (from 0.2 to 1.0 wt%) of mont-morillonite (MMT) nanoclay particles. The iongel MMMs were characterized by several tech-niques, including attenuated total reflectance Fourier-transform infrared (ATR-FTIR) spectros-copy, thermogravimetric analysis (TGA), scanning electron microscopy (SEM), differential scan-ning calorimetry (DSC), contact angle and puncture tests in order to assess how their proper-ties affect the CO2 separation performance from nitrogen (N2) and methane (CH4) in pure gas permeation experiments and evaluate their potential to be applied in post-combustion streams and biogas upgrading.
The characterization results revealed that the iongel MMMs can withstand temperatures typical of post-combustion streams (around 120 ºC) and that the incorporation of MMT did not have a significant impact on the permeability/selectivity, crystallinity, and hydrophilicity of the iongel MMMs. On the other hand, a concentration of 0.2 wt% MMT evenly dispersed into an iongel MMM was able to increase the mechanical resistance up to 30%, which suggests that future studies focused on the optimization of the preparation of these membranes may allow the addition of higher IL loadings for better CO2 separation performance while the me-chanical stability is maintained.
O consumo contínuo de combustíveis fósseis tem tido consequências graves para o am-biente devido ao aumento da concentração de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera. Uma possível solução para separar o CO2 de outros gases leves consiste na Captura e Armazena-mento de Carbono (CCS) através da tecnologia de membranas. Dentro dos materiais estuda-dos para a preparação de membranas, os Líquidos Iónicos (LIs) são dos mais promissores, principalmente devido às suas propriedades ajustáveis e boa afinidade para o CO2. Posto isto, têm sido desenvolvidas membranas de géis iónicos com elevadas concentrações de LIs (≥ 60 %(m/m)) incorporados numa rede polimérica entrecruzada por radiação ultravioleta (UV) à base de polietileno glicol (PEG). Porém, a resistência mecânica das membranas de géis ióni-cos está limitada devido à sua natureza gelatinosa, que é mais acentuada quanto maior for a concentração de LI, tratando-se de um dos maiores desafios inerentes ao seu fabrico. De modo a abordar este problema, este trabalho propõe a adição de pequenas quantidades de partículas de nanoclay (≤ 1%(m/m)) às membranas de géis iónicos com o intuito de reforçar a sua estrutura. Foram preparadas membranas de matriz mista (MMMs) de géis iónicos sólidas e maleá-veis, com diferentes concentrações (entre 0.2 e 1.0 %(m/m)) de partículas do nanoclay montmorillonite (MMT). As MMMs de géis iónicos foram caracterizadas por diversas técnicas, entre as quais espetroscopia de infravermelho com transformada de Fourier em modo de re-fletância total atenuada (ATR-FTIR), análise termogravimétrica (TGA), microscopia eletrónica de varrimento (SEM), calorimetria diferencial de varrimento (DSC), ângulo de contacto e testes mecânicos através de ensaios de perfuração. A caraterização permitiu estudar de que forma as propriedades das MMMs de géis iónicos influenciam o seu desempenho na separação de CO2 de azoto (N2) e de metano (CH4), e assim avaliar o seu potencial para serem aplicadas em correntes de pós-combustão e em purificação de biogás. Os resultados da caraterização revelaram que as MMMs de géis iónicos têm a capaci-dade de suportar temperaturas típicas de correntes gasosas de pós-combustão (à volta de 120 ºC) e que a incorporação de MMT não teve um impacto significativo na permeabili-dade/seletividade, cristalinidade e hidrofilicidade das mesmas. Contudo, a adição de uma con-centração de 0.2 %(m/m) de MMT bem disperso nas membranas de géis iónicos permitiu aumentar a sua resistência mecânica até 30%. Este resultado sugere que a otimização da pre-paração das MMMs de géis iónicos em trabalhos futuros, poderá permitir a incorporação de concentrações superiores de LI, de modo a atingir um melhor desempenho na separação de CO2, e de forma a não comprometer a sua estabilidade mecânica.
O consumo contínuo de combustíveis fósseis tem tido consequências graves para o am-biente devido ao aumento da concentração de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera. Uma possível solução para separar o CO2 de outros gases leves consiste na Captura e Armazena-mento de Carbono (CCS) através da tecnologia de membranas. Dentro dos materiais estuda-dos para a preparação de membranas, os Líquidos Iónicos (LIs) são dos mais promissores, principalmente devido às suas propriedades ajustáveis e boa afinidade para o CO2. Posto isto, têm sido desenvolvidas membranas de géis iónicos com elevadas concentrações de LIs (≥ 60 %(m/m)) incorporados numa rede polimérica entrecruzada por radiação ultravioleta (UV) à base de polietileno glicol (PEG). Porém, a resistência mecânica das membranas de géis ióni-cos está limitada devido à sua natureza gelatinosa, que é mais acentuada quanto maior for a concentração de LI, tratando-se de um dos maiores desafios inerentes ao seu fabrico. De modo a abordar este problema, este trabalho propõe a adição de pequenas quantidades de partículas de nanoclay (≤ 1%(m/m)) às membranas de géis iónicos com o intuito de reforçar a sua estrutura. Foram preparadas membranas de matriz mista (MMMs) de géis iónicos sólidas e maleá-veis, com diferentes concentrações (entre 0.2 e 1.0 %(m/m)) de partículas do nanoclay montmorillonite (MMT). As MMMs de géis iónicos foram caracterizadas por diversas técnicas, entre as quais espetroscopia de infravermelho com transformada de Fourier em modo de re-fletância total atenuada (ATR-FTIR), análise termogravimétrica (TGA), microscopia eletrónica de varrimento (SEM), calorimetria diferencial de varrimento (DSC), ângulo de contacto e testes mecânicos através de ensaios de perfuração. A caraterização permitiu estudar de que forma as propriedades das MMMs de géis iónicos influenciam o seu desempenho na separação de CO2 de azoto (N2) e de metano (CH4), e assim avaliar o seu potencial para serem aplicadas em correntes de pós-combustão e em purificação de biogás. Os resultados da caraterização revelaram que as MMMs de géis iónicos têm a capaci-dade de suportar temperaturas típicas de correntes gasosas de pós-combustão (à volta de 120 ºC) e que a incorporação de MMT não teve um impacto significativo na permeabili-dade/seletividade, cristalinidade e hidrofilicidade das mesmas. Contudo, a adição de uma con-centração de 0.2 %(m/m) de MMT bem disperso nas membranas de géis iónicos permitiu aumentar a sua resistência mecânica até 30%. Este resultado sugere que a otimização da pre-paração das MMMs de géis iónicos em trabalhos futuros, poderá permitir a incorporação de concentrações superiores de LI, de modo a atingir um melhor desempenho na separação de CO2, e de forma a não comprometer a sua estabilidade mecânica.
Descrição
Palavras-chave
Iongel membranes Ionic Liquids UV cross-linked polymer network Montmo-rillonite nanoclay CO2 separation