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Type: Dissertação
Title: Síntese e caracterização de suportes de alumina para aplicação em membranas cerâmicas para processos de separação gasosa
Authors: Priscila Cristh Fonseca Alves
First Advisor: Wander Luiz Vasconcelos
First Referee: Daniela Cordeiro Leite Vasconcelos
Second Referee: Jéssica de Oliveira Notório Ribeiro
Third Referee: Jefferson José Vilela
Abstract: A necessidade do desenvolvimento de tecnologias que sejam aliadas para um modelo de produção sustentável para a mitigação dos prejuízos provocados pelo aquecimento global tem incentivado uma transição energética voltada para o consumo de combustíveis com baixa emissão de carbono, como o gás natural. Esse gás é encontrado na forma de uma mistura de componentes e precisa passar por uma etapa de purificação para remoção de contaminantes como o dióxido de carbono. Uma alternativa às técnicas convencionais para separação dos contaminantes é a utilização de membranas inorgânicas, devido às suas inúmeras vantagens. Esses dispositivos são compostos por diversas camadas e requerem a utilização de um suporte para fornecimento de sustentação estrutural. Neste estudo foram desenvolvidos suportes cerâmicos para aplicação de membranas para separação do CO2 do gás natural. O material inorgânico de partida utilizado foi a α-alumina com pureza acima de 99 % com distribuição bimodal e diâmetro médio de partículas em torno de 3,71 μm. O método de conformação utilizado foi a prensagem uniaxial, que deu origem a corpos cerâmicos planos com geometria cilíndrica. Foi investigada a influência de dois parâmetros operacionais nas propriedades dos substratos. Um deles foi a da adição do agente de sinterização dióxido de titânio na fase rutilo e com diâmetro médio de partículas em torno de 0,56 μm. As concentrações utilizadas foram de 0,5 %, 1 %, 3 % e 5 % de TiO2 em relação à massa de Al2O3. O segundo parâmetro foi a temperatura de patamar de sinterização, sendo os valores estudados: 1300 °C, 1400 °C, 1500 °C e 1600 °C. Foi possível observar que adições de TiO2 de 0,5 % e 1 % nos suportes de alumina são responsáveis por reforçar a estrutura cerâmica por meio do aumento da resistência à fratura. Subsequentes adições não influenciaram nos valores de porosidade e podem ser deletérias para a resistência à compressão. O aumento da temperatura de sinterização favorece a difusão dos íons e consequentemente o fechamento dos poros. Os melhores resultados de porosidade e resistência mecânicas podem ser atribuídos aos suportes de alumina sinterizados em 1400 °C e 1500 °C e os dopados com 0,5 % e 1 % de TiO2 e tratados termicamente em 1400 °C. Essas amostras mostraram poros na faixa de 0,049 μm e 3,7 μm, o que os classifica como macroporosos. A análise dos dados de permeabilidade gasosa comprova que a rede de poros existente apresenta um caminho acessível para permeação de gases, validando o objetivo desse estudo que consiste na obtenção de substratos porosos aptos para aplicação de membranas em processos de separação. Os resultados obtidos demonstram que os suportes desenvolvidos neste estudo são propícios para aplicação em processos de microfiltração e ultrafiltração. Para os processos de nanofiltração e separação gasosa é necessário a deposição de sucessivas camadas para redução gradual do diâmetro dos poros.
Abstract: Green technologies are necessary for driving a sustainable production model in order to mitigate the damages caused by the global warming. It has encouraged an energy transition focused on the consumption of low carbon fuels, such as natural gas. The natural gas is found in the form of a mixture of components and it shall be purified to remove contaminants such as carbon dioxide. An alternative to conventional techniques of purification is the use of the inorganic membranes, due to its numerous advantages. The inorganic membranes are composed of several layers and require the use of a substrate to provide structural support. It was developed ceramic supports for the application of membranes to separate CO2 from the natural gas. The inorganic starting powder used was α-alumina with purity above 99 %, bimodal distribution of the particles diameters and average particle size around 3.71 μm. The uniaxial pressing was the forming method used, giving rise to flat ceramic bodies with cylindrical geometry. The influence of two operational parameters in the final substrate properties was investigated. One of them was the addition of the titania sintering agent in the rutile phase and average particle diameter of around 0.56 μm. The concentrations used were 0.5 wt.%, 1 wt.%, 3 wt.% and 5 wt.% of TiO2. The second parameter was the heat treatment temperature and the studied values were: 1300 °C, 1400 °C, 1500 °C and 1600 °C. It was observed that the TiO2 additions of 0.5 wt.% and 1 wt.% in the alumina supports were sufficient to reinforce the ceramic structure by the increasing in the fracture resistance. Subsequent additions of TiO2 (3 wt.% and 5 wt.%) did not influence the porosity values and can reduce the compressive strength. The increase in the sintering temperature enhances the diffusion of ions and the pores closing. The better results of porosity and mechanical strength can be attributed to the alumina supports sintered at 1400 °C and 1500 °C and the doped ones with 0.5 wt.% and 1 wt% of TiO2 and heat treated at 1400 °C. The samples showed pores in the range of 0.049 μm and 3.7 μm, which classifies them as macroporous. The analysis of the gas permeability data proves that the pore network present in the supports is an accessible path for gas permeation, validating the objective of this study, which consists in the obtaining porous substrates suitable for application of membranes in separation processes. The supports developed in this study are suitable for application in microfiltration and ultrafiltration processes. For the nanofiltration and gas separation processes is necessary to deposit successive layers over the support to gradually diminish the pore diameter.
Subject: Materiais
Ciência dos materiais
Alumina
Dióxido de titânio
Cerâmica
Porosidade
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA METALÚRGICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica, Materiais e de Minas
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/53215
Issue Date: 26-Mar-2021
Appears in Collections:Dissertações de Mestrado

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