Membranas de matriz mista preparadas a partir da dispersão de nanotubos de carbono funcionalizados com grupos oxigenados em polissulfona: caracterização e aplicação para separação de CO2
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
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Eduardo Henrique Martins Nunes
Camila Baldasso
Luiz Orlando Ladeira
Alberto Claudio Habert
Camila Baldasso
Luiz Orlando Ladeira
Alberto Claudio Habert
Resumo
Membranas de matriz mista (MMMs) simétricas e assimétricas foram preparadas utilizando polissulfona (PSF) e nanotubos de carbono de paredes múltiplas funcionalizados com grupos oxigenados (MWNT-O). As membranas simétricas foram preparadas pelo método de evaporação de solvente (dry), enquanto as membranas assimétricas foram obtidas por precipitação por imersão (wet) e pela combinação dos dois métodos (dry/wet). Foram utilizados MWNT-O com teor de funcionalização de 6 %m/m e 9%m/m, incorporados na PSF com teores entre 0,1 e 5 %m/m. As membranas foram caracterizadas usando microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise termogravimétrica (TGA), calorimetria exploratória diferencial (DSC), espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e testes de permeação com CO2 e N2 puros. A taxa de precipitação do polímero foi afetada pela incorporação dos MWNT-O, de tal forma que ocorreram mudanças significativas na morfologia das MMMs. A estabilidade térmica das MMMs foi discretamente reduzida e mostrou ser dependente das respectivas morfologias. Os resultados de FTIR indicaram a presença dos MWNT-O nas MMMs e a formação de interações dos grupos funcionais presentes na superfície dos MWNT-O com a PSF. Considerando as propriedades de transporte, as MMMs simétricas e assimétricas preparadas com 1 %m/m de MWNT-O apresentaram o melhor desempenho. Para membranas simétricas, houve indícios de que a incorporação de MWNT-O aumentou a tortuosidade do caminho de difusão dos gases, reduzindo a permeabilidade e aumentando a seletividade da membrana de PSF pura. Para membranas assimétricas, em termos de permeância, o método wet se mostrou mais efetivo, originando a MMM que teve a permeação do CO2 aumentada de 11 para 80 GPU em relação à membrana de PSF pura. Por outro lado, em termos de seletividade, o método dry/wet mostrou o melhor desempenho, originando uma MMM com seletividade para CO2/N2 de 14,3, enquanto a membrana de PSF pura apresentou uma seletividade de 9,5. Os resultados indicam que a PSF e os MWNT-O podem ser combinados com sucesso para preparação de membranas assimétricas com potencial para aplicação na separação do CO2.
Abstract
Symmetric and asymmetric mixed matrix membranes (MMMs) were developed using
polysulfone (PSF) and multi-walled carbon nanotubes functionalized with oxygenated
groups (MWNT-O). The preparation of the symmetric membranes was performed by
solvent evaporation technique (dry phase inversion), while the asymmetric membranes
were obtained by immersion precipitation (wet phase inversion) and by combining the
two methods (dry/wet phase inversion). MWNT-O with functionalization contents of 6
wt.% and 9 wt.% were used, incorporated into PSF with contents between 0.1 and 5
wt.%. The membranes were characterized using scanning electron microscopy (SEM),
thermogravimetric analysis (TGA), differential exploratory calorimetry (DSC), Fourier
transform infrared spectroscopy (FTIR), and permeation tests with pure CO2 and N2.
The polymer precipitation rate was affected by the incorporation of MWNT-O, such that
significant changes occurred in the morphology of the MMMs. The thermal stability of
the MMMs was slightly reduced and was shown to be dependent on their respective
morphologies. The FTIR results indicated the presence of the MWNT-O in the MMMs
and the formation of interactions of the functional groups present on the surface of the
MWNT-O with the PSF. Considering the transport properties, the symmetric and
asymmetric MMMs prepared with 1 wt.% of MWNT-O showed the best performance.
For symmetric membranes, there were evidence that the incorporation of MWNT-O
increased the tortuosity of the gas diffusion path, reducing the permeability and
increasing the selectivity of the pure PSF membrane. For asymmetric membranes, in
terms of productivity, the instantaneous precipitation method proved to be more
effective, giving rise to the MMM that had the CO2 permeation increased from 11 to 80
GPU compared to the pure PSF membrane. On the other hand, in terms of selectivity,
the delayed-immersion precipitation method proved to be more effective, originating a
MMM with selectivity for CO2/N2 of 14.3, while the pure PSF membrane showed a
selectivity of 9.5. The results indicate that PSF and MWNT-O can be successfully
combined to prepare asymmetric membranes with potential application in CO2
separation.
Assunto
Engenharia química, Dióxido de carbono, Membranas (Tecnologia), Nanotubos de carbono
Palavras-chave
Membranas de matriz mista, Polissulfona, Nanotubos de carbono, Assimétricas, Separação do CO2
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