Introdução
O dióxido de carbono (CO2), o principal gás de efeito estufa, está intimamente relacionado ao aquecimento global e à mudança climática devido à combustão de combustíveis fósseis, por exemplo, em usinas de energia. É preciso tomar as medidas necessárias para reduzir o impacto ambiental doCO2.
O CO2 dos combustíveis fósseis é liberado principalmente pelo gás de combustão em temperaturas mais altas, normalmente acima de 350°C. Devido à alta temperatura do gás, a maioria dos adsorventes físicos convencionais não pode ser usada por causa da diminuição da adsorção física com o aumento da temperatura. Ao resfriar a temperatura doCO2 no gás de combustão, os adsorventes físicos podem ser usados, mas isso resultaria em ciclos de dessorção mais longos.
Para superar essa limitação, a aplicação de adsorventes químicos (líquidos ou sólidos) em temperaturas mais altas pode ser a chave. Esses materiais absorvem diretamenteo CO2 em altas temperaturas; não é necessário o resfriamento do gás e é possível realizar uma separação eficiente das misturas de gases.
Os adsorventes químicos deCO2 típicos de alta temperatura incluem principalmente adsorventes de amônia, adsorventes à base de cálcio e adsorventes à base de lítio [1]. Os adsorventes à base de lítio oferecem a possibilidade de armazenar e transportarCO2 devido ao processo de reação que converteo CO2 do estado gasoso para o estado sólido [2].
Entre esses adsorventes cerâmicos de metais alcalinos, o Na2ZrO3, que também pertence ao grupo de metais alcalinos, tem menor custo de preparação, capacidade de adsorção mais rápida e temperatura de adsorção mais alta. Portanto, o estudo do Na2ZrO3 atraiu a atenção de muitos pesquisadores.
O processo de reação de adsorção do Na2ZrO3 comCO2 é mostrado na seguinte Eq.(1) [4-7]:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1）
A temperatura de adsorção deCO2 pelo Na2ZrO3 está na faixa de 400°C a 800°C [4-6]. Quando a temperatura é inferior a 800°C, a reação ocorre espontaneamente e se desloca para o lado dos produtos, e o Na2ZrO3 reage com oCO2 para formar Na2CO3. Vice-versa, com temperaturas superiores a 800°C, a reação ocorre na direção inversa, e a Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição do Na2CO3 liberaCO2 e forma novamente Na2ZrO3. A reação reversível permite a adsorção e a dessorção deCO2 de forma cíclica.
Neste trabalho, as propriedades de adsorção-dessorção do Na2ZrO3 paraCO2 foram investigadas e os efeitos do método de preparação do Na2ZrO3 foram comparados.
Experimental
O desempenho de adsorção-dessorção cíclicade CO2 (programa de medição na figura 1) foi testado com um STA 2500 Regulus, colocando-se cerca de 10 mg de adsorvente em um cadinho de alumina e aquecendo-o da temperatura ambiente até 850°C a uma taxa de aquecimento de 20 K/min sob uma atmosfera de N2 puro (fluxo de gás de 100 ml/min), mantendo-o IsotérmicoOs testes com temperatura controlada e constante são chamados de isotérmicos.isotérmico por 10 minutos para remover as impurezas da amostra e, em seguida, resfriando-o até 650°C a 20 K/min. Quando a temperatura atingiu 650°C, a atmosfera foi alterada para uma mistura de N2/CO2 que continha 15%de CO2.
A reação de adsorção foi realizada em um segmento IsotérmicoOs testes com temperatura controlada e constante são chamados de isotérmicos.isotérmico por 30 minutos. Em seguida, a atmosfera foi trocada novamente para N2 puro e a amostra foi aquecida a 850°C a 20 K/min. A dessorção foi caracterizada em um segmento IsotérmicoOs testes com temperatura controlada e constante são chamados de isotérmicos.isotérmico por 10 minutos a 850°C. A estabilidade do adsorvente foi testada com a execução desse programa de temperatura 10 vezes.
As diferentes possibilidades de preparação de amostras para Na2ZrO3 estão descritas na tabela 1.
Tabela 1: Preparação da amostra de Na2ZrO3.
| Amostra | Método de síntese | Método de secagem |
|---|---|---|
| WM-HD | método de mistura úmida (WM) | secagem aquecida (HD) |
| WM-FD | método de mistura úmida (WM) | secagem por congelamento (FD) |
| SG-HD | método sol-gel (SG) | secagem aquecida (HD) |
| SG-FD | método sol-gel (SG) | secagem por congelamento (FD) |
Resultados e discussão
A Figura 2 mostra a curva TGA das diferentes amostras de Na2ZrO3 sintetizadas pelos métodos. É possível observar que a massa de cada curva aumentou significativamente enquantoo CO2 estava presente como parceiro de reação. Depois queo CO2 foi removido do sistema, a massa diminuiu novamente. Quando a reação atingiu o oitavo ciclo, o desempenho de adsorção dos quatro adsorventes se estabilizou e permaneceu comparável com o nono e o décimo ciclo. É possível observar que o Na2ZrO3 obtido pelo método de mistura úmida (WM-HD, verde; e WM-FD, vermelho) tem melhor desempenho de adsorção do que as amostras sintetizadas pelo método sol-gel. As quantidades de adsorção dos quatro adsorventes estavam na seguinte ordem, da maior para a menor: WM-HD (18,7%) > WM-FD (17,1%) > SG-FD (16,6%) > SG-HD (15,7%).
Ao derivar a curva TGA, mostrada na figura 2, a taxa de perda de massa ou curva DTG pode ser obtida, o que indica a mudança na taxa de mudança de peso em relação à temperatura/tempo. Essas curvas representam a taxa de adsorção deCO2 para as diferentes condições de síntese do Na2ZrO3.
A Figura 3 mostra a curva DTG da adsorção deCO2 dos quatro adsorventes no oitavo ciclo. A partir da figura, pode-se observar que as taxas de adsorção dos adsorventes têm, em geral, a mesma tendência. No entanto, a SG-FD apresenta a maior taxa de adsorção em comparação com as outras três amostras. Além disso, as taxas para SG-HD e WM-HD são semelhantes e a amostra WM-FD apresenta a menor taxa de adsorção. O adsorvente Na2ZrO3 foi sintetizado pelos métodos de mistura úmida e sol-gel, seguido de secagem por congelamento e secagem por aquecimento. Pode-se especular que o método de mistura sol-gel e liofilização é mais adequado para a formação de estrutura porosa, e uma área de superfície específica mais alta pode ser obtida por meio dessa abordagem sintética.
Conclusão
O NETZSCH STA 2500 Regulus pode ser usado para investigar as propriedades de adsorção de diferentes materiais. Neste exemplo, quatro amostras diferentes de Na2ZrO3 sintetizadas foram investigadas, e as propriedades de adsorçãode CO2 foram caracterizadas. Pode-se presumir que a rota de síntese usando o método sol-gel e a subsequente liofilização levam a uma reatividade de superfície significativamente maior.
Ao compreender a relação entre a síntese e as propriedades de adsorção, o desempenho ideal de adsorção para uma aplicação individual pode ser considerado e ajustado de acordo.