Desenvolvimento de dispositivos a base de nanomateriais de carbono para sensoriamento de CO2
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
Título alternativo
Development of a gas sensor based on carbon nanomaterials for CO2 monitoring
Primeiro orientador
Membros da banca
Juan Carlos González Pérez
Mario Sergio de Carvalho Mazzoni
Mario Sergio de Carvalho Mazzoni
Resumo
Um dos desafios tecnológicos e industriais gerados após a descoberta do pré-sal, é a detecção de gás carbônico (CO2) presente no gás natural (GN). Tal contaminante (CO2) é um possível causador de corrosão interna das instalações de petróleo e gás natural. Além disso, para comercialização em território nacional, faz-se necessário garantir a qualidade do gás natural processado com requisitos mínimos deste contaminante, de tal forma que atenda as especificações técnicas de acordo com as legislações. Contudo, existe séria dificuldade no desenvolvimento de sensores apropriados à detecção de CO2, em decorrência de tratar-se de um gás com alto grau corrosivo e que precisa ser detectado em ambiente de alta pressão. Portanto, existe a necessidade de desenvolvimento de um sensor com material resistente ao ambiente corrosivo, e que apresente fácil integração a cadeia de produção. Tendo em vista essa motivação, este projeto teve como objetivo suprir a demanda da Petrobras em obter sensores com tamanho compacto, resposta rápida e seletiva para detecção do contaminante CO2 em gás natural.
Estudos recentes mostram o grande potencial dos nanomateriais de carbono para aplicação como sensores devido às suas propriedades elétricas, ópticas e estruturais. Com isso, as atividades desenvolvidas durante este projeto envolvem a produção, bem como a caracterização elétrica do nanodispositivo em atmosfera de CO2. Neste trabalho, será apresentado a confecção dos nanodispositivos utilizando a tinta de nanotubos funcionalizada e o sistema de caracterização elétrica desenvolvido exclusivamente para simulação em ambiente relevante. Serão apresentados os experimentos desde as primeiras detecções de CO2 em ambiente argônio, a detecção de CO2 em ambiente de metano (CH4) e finalmente a detecção de CO2 em ambiente de gás natural o qual se aproxima de uma aplicação real. Resultados obtidos de medidas da resposta do sensor em tempo real, durante a detecção de CO2 em ambiente de GN, indicaram que o sensor é capaz de detectar uma ampla faixa de concentrações (0 - 100%) com tempo de 10min entre medidas, em temperatura ambiente e pressão atmosférica. Por meio de diversos ensaios, demonstraremos que o sensor permanece estável e com um tempo de vida superior a 8 meses. Apresentaremos também, o teste feito com mais de 2000 medidas de concentrações de CO2 aplicadas de forma aleatória, obtendo como resposta do sensor curvas capazes de distinguir as concentrações aplicadas sem saturação do sensor. Uma abordagem utilizando Machine Learning será apresentada no intuito de realizar a calibração e estimativa das concentrações através das medidas realizadas pelo sensor. Para finalizar o trabalho, propostas do mecanismo de detecção do CO2 serão discutidas. Sendo assim, o sensor de CO2 proposto neste trabalho apresenta a possibilidade de produção escalável e integração a cadeia de produção para monitoramento da qualidade do gás natural.
Abstract
One of the technological and industrial challenges generated after the pre-salt discovery is the detection of carbon dioxide (CO2) present in natural gas (NG). This contaminant (CO2) is a possible cause of internal corrosion in oil and natural gas installations. Moreover, for distribution in the national territory, is necessary to guarantee the quality of the natural gas processed with minimum requirements of this contaminant, insomuch that they meet the technical specifications following with the legislation. However, it is difficult to develop sensors for detecting CO2, as is a highly corrosive gas, that needs to be detected in a high-pressure environment. Therewith, is necessary to develop a sensor with a material resistant to the corrosive environment, and which presented uncomplicated integration into the production chain. Because of this motivation, this project aimed to meet Petrobras demand for sensors with a compact size, quick and selective response for the detection of the contaminant CO2 in natural gas.
Recent studies indicate the great potential of carbon nanomaterials for the application as sensors because of their electrical, optical, and structural properties. The activities developed during this project involve the production and the electrical characterization of the nanodevice in the atmosphere of CO2. In this work, manufacturing nanodevices using functionalized nanotube ink and the electrical characterization system developed only for simulation in a relevant environment will be presented. We will show from the first detections of CO2 in an argon environment, the detection of CO2 in a methane environment (CH4), and finally the detection of CO2 in a natural gas environment, which is approximately from a real application. Results obtained from measurements of the sensor response in real-time, during the detection of CO2 in a NG environment, tested to be a sensor capable of detecting a wide range of concentrations (0 - 100%) with a time of 10min between measurements, at room temperature and atmospheric pressure. Through several tests, we demonstrate that the sensor remains stable and with a lifetime of over 8 months. We will also present the test carried out with over 2000 measurements of concentrations of CO2 applied randomly, getting a sensor response curves capable of distinguishing the applied concentrations without sensor saturation. An approach using Machine Learning will be presented to perform the calibration and estimated of the concentrations through the measurements performed by the sensor. To complete the work, the proposals for the detection mechanism of CO2 will be valid. Therefore, this work presents a CO2 sensor with the possibility of scalable production and integration into the production chain for monitoring the quality of natural gas.
Assunto
Nanomateriais, Nanotubos de carbono, Sensores de gás, Dióxido de carbono, Gás natural
Palavras-chave
Nanomateriais de carbono, Nanotubos de carbono, Tinta de nanotubos, Sensor de gás, CO2, Dióxido de carbono, Gás natural
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