Production of inorganic zeolite membranes with KFI zeolite for gas separation

Abstract

O desenvolvimento econômico e industrial tem levado a uma série de crises ambientais, como o aquecimento global, a poluição grave e o esgotamento dos recursos naturais. Para mitigar esses problemas, é crucial adotar estratégias de conservação de energia, de redução de emissões de poluentes e de controle de danos ambientais. O uso crescente de gás natural como fonte de energia tem sido observado devido ao seu menor impacto ambiental em comparação com outros combustíveis fósseis. A presença de contaminantes como N2 pode afetar a combustão e contribuir para a formação de óxidos de nitrogênio altamente poluentes. Portanto, processos eficientes para a remoção de N2 do gás natural são necessários. A separação de gases por membranas emergiu como uma tecnologia eficaz devido ao seu baixo custo, operação simples e alta eficiência energética. Porém, a separação dessas misturas gasosas permanece desafiadora devido à semelhança de tamanho molecular. Nesse contexto, membranas inorgânicas com zeólitas surgem como uma alternativa promissora devido à sua alta seletividade e estabilidade térmica. A zeólita KFI demonstrou potencial para separação de gases devido ao seu pequeno tamanho de poros. Além disso, estudos prévios de adsorção mostraram que esta zeólita apresenta elevada seletividade para a separação de N2, CO2 e CH4 e entender o comportamento de adsorção e da capacidade de adsorção dos gases, especialmente do CO2 (que interage de forma mais intensa com a estrutura da zeólita em comparação com N2 e CH4) destaca o potencial da zeólita KFI para aplicações de adsorção seletiva e separação de CO2. Entretanto, estudos sobre a fabricação de membranas inorgânicas utilizando zeólita KFI são escassos na literatura. Portanto, este estudo investigou a preparação de membranas inorgânicas incorporando zeólita KFI, com foco na síntese de suportes cerâmicos e na formação da zeólita. Os resultados mostraram que a técnica de freeze-casting influenciou significativamente as propriedades mecânicas e a estrutura dos suportes cerâmicos de alumina, produzindo materiais com alta resistência mecânica e conectividade, aspectos cruciais para o desenvolvimento de suportes cerâmicos para separação de gases. Além disso, a escolha das fontes de alumínio e sílica na síntese da zeólita afetou a pureza e a estrutura das amostras resultantes. Amostras com alta área superficial e microporosidade, medidas em 523,8 e 469,4 m²/g, respectivamente, indicam que quase 90% da área é composta por microporos de pequeno tamanho de partícula, tornando-as ideais para aplicação em membranas de zeólita. Esses achados ressaltam a eficácia da síntese de membranas inorgânicas sem o uso de templantes orgânicos, fornecendo materiais com alto potencial para aplicações em membranas devido à sua baixa hidrofobicidade e eficiência na separação.