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Os processos de adsorção apresentam várias vantagens sobre processos mais tradicionais, como a destilação, levando a significativas poupanças energéticas. O desenvolvimento de processos adsorptivos depende de uma escolha adequada de adsorvente para uma dada separação, e benficiará portanto de um desenho customizado de materiais nanoporosos. No entanto, o estado da arte assenta numa abordagem de tentativa-e-erro. Além disso, é normalmente preciso dedicar bastante esforço para produzir um dado material em grandes quantidades e numa forma adequada para utilização num processo industrial, mas estes esforços são muitas vezes gastos em adsorventes que não se traduzem em melhorias significativas do processo. Isto acarreta enormes custos, e tem impedido a aplicação generalizada de novos materiais porosos na indústria ? o mercado de adsorventes continua dominado pelos materiais mais tradicionais, como carvão activado, zeólitos e sílica-gel. Para romper este ciclo é necessária uma abordagem inovadora ? primeiro determinar as características ideais que o material deve possuir para uma dada separação, depois especificar as condições de síntese necessárias para obter um material com essas propriedades, e finalmente sintetizar o material no laboratório. Isto requer um forte conhecimento fundamental do processo de síntese, assim como a construção de modelos realistas capazes de prever o desempenho do material em processos de adsorção.
Este projecto cria os alicerces para um desenho inteligente de materiais nanoporosos para processos de adsorção, usando como protótipo o uso de Organosílicas Mesoporosas (OSM) para a separação de dióxido de carbono e metano. Esta mistura foi escolhida por representar uma separação difícil e industrialmente importante (e.g., na purificação de biogás), que depende fortemente das propriedades do adsorvente. As OSM constituem uma classe fascinante de novos materiais híbridos que incorporam grupos orgânicos numa matriz mesoporosa ordenada de sílica. C  |
Resumo
Os processos de adsorção apresentam várias vantagens sobre processos mais tradicionais, como a destilação, levando a significativas poupanças energéticas. O desenvolvimento de processos adsorptivos depende de uma escolha adequada de adsorvente para uma dada separação, e benficiará portanto de um desenho customizado de materiais nanoporosos. No entanto, o estado da arte assenta numa abordagem de tentativa-e-erro. Além disso, é normalmente preciso dedicar bastante esforço para produzir um dado material em grandes quantidades e numa forma adequada para utilização num processo industrial, mas estes esforços são muitas vezes gastos em adsorventes que não se traduzem em melhorias significativas do processo. Isto acarreta enormes custos, e tem impedido a aplicação generalizada de novos materiais porosos na indústria ? o mercado de adsorventes continua dominado pelos materiais mais tradicionais, como carvão activado, zeólitos e sílica-gel. Para romper este ciclo é necessária uma abordagem inovadora ? primeiro determinar as características ideais que o material deve possuir para uma dada separação, depois especificar as condições de síntese necessárias para obter um material com essas propriedades, e finalmente sintetizar o material no laboratório. Isto requer um forte conhecimento fundamental do processo de síntese, assim como a construção de modelos realistas capazes de prever o desempenho do material em processos de adsorção.
Este projecto cria os alicerces para um desenho inteligente de materiais nanoporosos para processos de adsorção, usando como protótipo o uso de Organosílicas Mesoporosas (OSM) para a separação de dióxido de carbono e metano. Esta mistura foi escolhida por representar uma separação difícil e industrialmente importante (e.g., na purificação de biogás), que depende fortemente das propriedades do adsorvente. As OSM constituem uma classe fascinante de novos materiais híbridos que incorporam grupos orgânicos numa matriz mesoporosa ordenada de sílica. Combinam assim a resistência das estruturas inorgânicas com a flexibilidade dos grupos orgânicos, e sugerem a possibilidade de adaptar simultaneamente a estrutura e a química de superfície do adsorvente. Este projecto estabelece um novo paradigma no desenho de materiais nanoporosos ao propor uma estratégia integrada, na qual informação da síntese é usada para construir modelos do adsorvente, que por sua vez são usados para prever as suas propriedades de adsorção. Isto requer uma abordagem multidisciplinar abrangendo várias escalas de tempo e tamanho, para a qual se junta uma equipa de Engenheiros Químicos, Químicos e Cientistas de Materiais a trabalhar em estreita cooperação, e combinando métodos experimentais e teóricos inovadores que vão desde o átomo ao processo. O efeito das condições de síntese nas propriedades do material será analisado experimentalmente e teoricamente, por uma combinação de cálculos quânticos e simulação molecular. Usando informação da síntese, será construído um modelo realista do adsorvente, onde serão realizadas simulações de adsorção. Estas simulações serão complementadas por medições experimentais de equilíbrio de adsorção no LSRE. Comparando isotérmicas simuladas e experimentais será possível aferir a capacidade predictiva do modelo e eventualmente o seu refinamento.
Um resultado expectável deste projecto é o desenho de um material OSM com as características ideais para a separação de CO2 e CH4, o que potencialmente introduzirá melhorias importantes neste processo, com poupanças significativas de tempo, dinheiro e energia. Sobretudo, esta estratégia inovadora será um grande passo em frente no sentido de um desenho racional de materiais nanoporosos e, com eventuais modificações, poderá estender-se a outras separações e outros materiais. Contribuirá ainda para uma nova visão da Engenharia Química baseada na integração de escalas, desde o nível molecular até ao nível do processo. |