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Publicação
Advanced Mixed Matrix Membrane Design for CO2 separation
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Resumo(s)
The worldwide environmental crisis demands a transition towards a green and sustainable industrial activity. Achieving the net-zero carbon dioxide (CO2) emission is one of the leading challenges to tackle in the coming years. Therefore, efficient, and low-cost Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS) technologies are required to fulfill the industrial needs. Mem-brane technology is considered as an attractive alternative method for separating CO2. While conventional polymeric membranes have been applied industrially, there is a need for mem-branes with higher separation and permeation properties, as well as better stabilities.
Mixed Matrix Membranes (MMMs) are pondered as a potentially ideal solution. The in-corporation of highly CO2-selective particles into the polymeric matrix could enhance the per-formance of conventional polymeric membranes. However, the preparation and up-scaling of defect-free MMMs are still a challenge. Furthermore, as the number of novel materials and different synthetic routes for their preparation keep appearing, a method to select materials or even design new MMMs is required.
In this dissertation, the incorporation of ionic liquids (ILs) in metal-organic framework (MOF)-based MMMs is addressed from the preparation of IL supported by MOFs composites, to the proof-of-concept of an up-scaling approach using a spray coating technique. Addition-ally, molecular simulation studies have been used to assist in the characterization of the MMMs and guide their synthesis route. Then, the most beneficial configuration has been prepared using an easily scalable technique such as spray-coating, while parallelly considering green and safer preparation options for the membrane development.
A crise ambiental mundial exige uma transição para uma atividade industrial sustentável. A emissão “net-zero” de dióxido de carbono (CO2) é um dos principais desafios a enfrentar nos próximos anos e, portanto, é premente o desenvolvimento de tecnologias eficientes e de baixo custo para a captura, utilização e armazenamento de carbono (CCUS, do seu acrónimo em inglês) para corresponder às necessidades industriais. A tecnologia de membranas apresenta-se como uma alternativa atraente para a separação de CO2. O uso de membranas poliméricas convencionais já foi avaliado para processos de separação de CO2, no entanto, o desenvolvimento de novos materiais mais eficientes é ainda necessário. As Membranas de Matriz Mista (MMMs) são consideradas uma potencial solução ideal. A performance de um material polimérico pode ser alcançada pela incorporação de partículas altamente seletivas para o CO2 na matriz polimérica. No entanto, a preparação e o scale-up de MMMs sem defeitos representa um desafio. Além disso, à medida que o número de novos materiais e diferentes possíveis abordagens para a sua preparação continua a surgir, é necessário um método para prever o desenvolvimento de novas MMMs para uma melhor performance. Nesta dissertação, é abordada a incorporação de líquidos iónicos (ILs, acrónimo em inglês) em MMMs com compostos organometálicos (MOFs, acrónimo em inglês) desde a preparação de compostos de IL suportados nos MOFs, até à prova de conceito usando uma abordagem de up-scale com a técnica de spray-coating. Adicionalmente, foram utilizados estudos de simulação molecular para auxiliar na caracterização de MMMs e orientar no seu processo de síntese. Finalmente, a configuração mais vantajosa foi preparada usando uma técnica facilmente escalável, como o spray-coating. Em paralelo foram estudadas opções mais sustentáveis para preparação das membranas de interesse.
A crise ambiental mundial exige uma transição para uma atividade industrial sustentável. A emissão “net-zero” de dióxido de carbono (CO2) é um dos principais desafios a enfrentar nos próximos anos e, portanto, é premente o desenvolvimento de tecnologias eficientes e de baixo custo para a captura, utilização e armazenamento de carbono (CCUS, do seu acrónimo em inglês) para corresponder às necessidades industriais. A tecnologia de membranas apresenta-se como uma alternativa atraente para a separação de CO2. O uso de membranas poliméricas convencionais já foi avaliado para processos de separação de CO2, no entanto, o desenvolvimento de novos materiais mais eficientes é ainda necessário. As Membranas de Matriz Mista (MMMs) são consideradas uma potencial solução ideal. A performance de um material polimérico pode ser alcançada pela incorporação de partículas altamente seletivas para o CO2 na matriz polimérica. No entanto, a preparação e o scale-up de MMMs sem defeitos representa um desafio. Além disso, à medida que o número de novos materiais e diferentes possíveis abordagens para a sua preparação continua a surgir, é necessário um método para prever o desenvolvimento de novas MMMs para uma melhor performance. Nesta dissertação, é abordada a incorporação de líquidos iónicos (ILs, acrónimo em inglês) em MMMs com compostos organometálicos (MOFs, acrónimo em inglês) desde a preparação de compostos de IL suportados nos MOFs, até à prova de conceito usando uma abordagem de up-scale com a técnica de spray-coating. Adicionalmente, foram utilizados estudos de simulação molecular para auxiliar na caracterização de MMMs e orientar no seu processo de síntese. Finalmente, a configuração mais vantajosa foi preparada usando uma técnica facilmente escalável, como o spray-coating. Em paralelo foram estudadas opções mais sustentáveis para preparação das membranas de interesse.
Descrição
Palavras-chave
Carbon Dioxide Separation Mixed Matrix Membranes Metal-Organic Frameworks Ionic Liquids Molecular Simulations Spray-coating