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Título : Development of SAPO-34 zeolite membranes supported on α-Al2O3 for gas separation
Otros títulos : Desenvolvimento de membranas de zeólita SAPO-34 suportadas em α-Al2O3 para separação de gases
Autor : Silva, Saulo Lucas Pereira da
Orientador(es):: Silva, Alysson Martins Almeida
Coorientador(es):: Lima, Luiz Fernando de Sousa
Assunto:: Gás natural
Freeze-casting
Naftaleno-cânfora
Peneiramento molecular
Síntese assistida por micro-ondas
Teoria da Solução Adsorvida Ideal (IAST)
Fecha de publicación : 14-oct-2026
Citación : SILVA, Saulo Lucas Pereira da. Development of SAPO-34 zeolite membranes supported on α-Al2O3 for gas separation. 2025. 233 f., il. f. Tese (Doutorado em Química) — Universidade de Brasília, Brasília, 2025.
Resumen : Dentro dos processos industriais de tratamento do gás natural, a remoção dos gases CO2 e N2 é fundamental para garantir a pureza do produto final e maximizar sua eficiência como combustível. Neste contexto, este estudo propõe a produção de membranas seletivas comportadas porsubstratos macroporosos comerciais e de produção própria para separação gasosa de misturas importantes no contexto do tratamento do gás natural. A produção de suportes cerâmicos envolveu a investigação da influência composicional da mistura de solventes naftaleno-cânfora e das condições de densificação na formação da estrutura macroporosa de monólitos de α-alumina utilizando o processo de freeze-casting com controle de temperatura de congelamento. A técnica de freeze-casting permitiu a produção controlada de monólitos com alta porosidade (65-70%) e morfologias de poros distintas com base no ajuste da composição do solvente e tempo de sinterização. O uso da composição hipereutética com tempo de sinterização de 2 h promoveu um melhor equilíbrio entre porosidade aberta (~ 53%) e resistência à compressão (~ 16 MPa). A produção de tubos monocanais de mesma composição promoveu a formação de estrutura porosa semelhante ao observado para os monólitos correspondentes, entretanto, houve queda no percentual de porosidade aberta do material (~ 40%). Posteriormente, investigou-se a influência da proporção de precursores e da aplicação de direcionador orgânico de estrutura único ou duplo na produção de SAPO-34 via método hidrotérmico, uma peneira molecular promissora por apresentar janelas de poros com diâmetros de 3,8 Å. Utilizando um único direcionador, hidróxido de tetraetilamônio (TEAOH), observouse que o aumento da concentração dos precursores de Si, P e template proporcionou a formação de material mais cristalino (~ 85%) e com menor tamanho médio de partícula (~ 2,3 μm). O uso de duplo template - TEAOH/morfolina ou TEAOH/dipropilamina - levou à formação de matérias com média-alta cristalinidade e tamanhos de partículas menores ou similares ao observado anteriormente. Estudos utilizando aquecimento por micro-ondas permitiram a obtenção de materiais com alta cristalinidade (até 92%), tamanhos de partículas menores para tempo de tratamento térmico 4 vezes menor do que via rota hidrotérmica. Zeólitas produzidas via micro-ondas foram utilizadas como sementes para produção de membranas em tubos comerciais e produzidos via freezecasting. Amostras com 12 h de tratamento hidrotérmico e 3 deposições de semente apresentaram bom recobrimento da superfície, apresentando espessura máxima de 15,1 μm. Além disso, seletividades de adsorção medidas para as misturas 50:50 mol%. de CO2/CH4 e CH4/N2 apresentaram valores de 16 e 3, respectivamente.
Abstract: In industrial natural gas treatment processes, the removal of CO2 and N2 is essential to ensure the purity of the final product and to maximize its efficiency as a fuel. In this context, the present study reports the development of selective membranes supported on both commercial and in-house-produced macroporous substrates, designed for the separation of gas mixtures relevant to natural gas purification. The fabrication of ceramic supports involved investigating the compositional influence of the naphthalene–camphor solvent mixture and the densification conditions on the formation of macroporous αalumina monoliths produced via a freeze-casting process under controlled freezing temperature. This technique enabled the tailored fabrication of monoliths with high porosity (65–70%) and distinct pore morphologies, depending on the solvent composition and sintering duration. The use of a hypereutectic solvent composition combined with a 2 h sintering step provided an optimal balance between open porosity (~ 53%) and compressive strength (~ 16 MPa). Single-channel tubes prepared with the same composition exhibited porous structures similar to those of the corresponding monoliths; however, a reduction in open porosity (~ 40%) was observed. Subsequently, the influence of precursor ratios and the use of single or dual organic structure-directing agents were examined in the hydrothermal synthesis of SAPO-34 zeolite, a promising molecular sieve owing to its 3.8 Å pore openings. When employing a single structure-directing agent, tetraethylammonium hydroxide (TEAOH), increasing the concentrations of Si, P, and template precursors led to the formation of highly crystalline (~ 85%) materials with smaller average particle sizes (~ 2.3 μm). The use of dual templates, TEAOH/morpholine or TEAOH/dipropylamine, also yielded well-crystallized materials with comparable or reduced particle sizes. Microwave-assisted synthesis further demonstrated the feasibility of obtaining highly crystalline materials (up to 92%) with reduced particle sizes and narrow size distributions, while requiring a thermal treatment time four times shorter than that of the conventional hydrothermal method. Zeolites synthesized via microwave heating were subsequently employed as seeds for secondary-growth membrane fabrication on both commercial and freeze-cast tubes. Samples prepared with 12 h of hydrothermal treatment and three consecutive seed depositions exhibited excellent surface coverage, achieving a maximum film thickness of 15.1 μm. Additionally, adsorption selectivities estimated by Ideal Adsorbed Solution Theory (IAST) for 50:50 mol% CO2/CH4 and CH4/N2 mixtures reached 16 and 3, respectively.
metadata.dc.description.unidade: Instituto de Química (IQ)
Descripción : Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Instituto de Química, 2025.
metadata.dc.description.ppg: Programa de Pós-Graduação em Química
Licença:: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.unb.br, www.ibict.br, www.ndltd.org sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra supracitada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Agência financiadora: Fundação de Empreendimentos Científicos e Tecnológicos (FINATEC) e Petroliam Nasional Berhad (Petronas)
Aparece en las colecciones: Teses, dissertações e produtos pós-doutorado

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