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Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 5531 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

As membranas híbridas de fluoreto de polivinilideno-sílica-hexadeciltrimetoxissilano (PVDF-SiO2-HDTMS) foram fabricadas por meio de um método de inversão de fase não induzida por solvente para criar membranas de fibra oca estáveis ​​para uso na absorção de contato com a membrana de dióxido de carbono (CO2). As propriedades de superfície, características de desempenho e estabilidade de desempenho a longo prazo das membranas preparadas foram comparadas e analisadas. As superfícies externas das membranas preparadas eram superhidrofóbicas devido à formação de microestruturas rugosas em nanoescala nas superfícies e sua baixa energia livre de superfície. A adição de nanopartículas inorgânicas melhorou a resistência mecânica do PVDF-SiO2-HDTMS. Experimentos de operação estável de longo prazo foram realizados com um gás de entrada misto (CO2/N2 = 19/81, v/v) a uma taxa de fluxo de 20 mL/min. O líquido absorvente nestes experimentos foi 1 mol/L de dietanolamina (DEA) a uma taxa de fluxo de 50 mL/min. O fluxo de transferência de massa de CO2 através da membrana PVDF-SiO2-HDTMS diminuiu de um valor inicial de 2,39 × 10–3 mol/m2s para 2,31 × 10–3 mol/m2s, uma diminuição de 3% após 20 dias. A adição de nanopartículas inorgânicas altamente estáveis ​​e hidrofóbicas evitou o umedecimento dos poros e danos estruturais à membrana. Verificou-se que a membrana PVDF-SiO2-HDTMS tem excelente desempenho estável a longo prazo na absorção de CO2.

O biogás é uma fonte de energia renovável promissora1 composta principalmente de CH4 (55–65%), CO2 (30–45%)2 e outros gases vestigiais. Para utilizá-lo como combustível, seu teor de CH4 deve ser de no mínimo 95%, portanto a absorção de dióxido de carbono (CO2) é de grande importância para a aplicação prática do biogás. A captura de dióxido de carbono (CO2) do biogás por sistemas contatores de membrana de fibra oca tem sido investigada por vários pesquisadores. Em um sistema de contator de membrana para absorção de CO2, o gás misturado e o absorvente líquido fluem em lados opostos da membrana de fibra oca, e o CO2 no gás é absorvido pelo absorvente líquido após passar pela membrana de fibra oca. A membrana de fibra oca atua como uma barreira não seletiva entre a fase líquida e a fase gasosa, separando a fase gasosa da fase líquida e proporcionando uma grande área de contato gás-líquido. Estudos demonstraram que no processo de absorção por contato com a membrana, o líquido absorvente entra e umedece os poros da membrana3,4,5. A taxa de difusão de CO2 no gás é maior do que na fase líquida. Isso aumenta muito a resistência à difusão da membrana para o CO2, resultando em uma rápida diminuição no fluxo de transferência de massa de CO2. A membrana de fibra oca deve, portanto, ser hidrofóbica.

Durante um processo de absorção por contato com a membrana, a membrana inevitavelmente será molhada porque a pressão da fase líquida deve ser maior que a pressão da fase gasosa para evitar a geração de bolhas. A diferença de pressão transmembrana leva o absorvente para dentro dos poros, que umedece os poros. Por outro lado, quando um absorvente químico é usado, as propriedades da superfície (tamanho dos poros, porosidade, rugosidade e composição química) da membrana mudam devido à suscetibilidade do material da membrana polimérica à erosão por líquidos alcalinos6,7,8. Isso aumenta o tamanho do poro da membrana e diminui o ângulo de contato da superfície, diminuindo assim a hidrofobicidade da membrana. Além disso, durante a operação de longo prazo, o absorvente líquido vaporizado entra nos poros da membrana e os umedece à medida que o vapor se condensa. Pesquisas recentes têm, portanto, focado no desenvolvimento de membranas de fibra oca superhidrofóbicas para a operação estável a longo prazo de processos de absorção de contato de membrana9,10.

Em nossos estudos anteriores, membranas híbridas superhidrofóbicas de fluoreto de polivinilideno-hexadeciltrimetoxissilano (PVDF-HDTMS) foram fabricadas por meio de um método de inversão de fase não induzida por solvente com uma mistura de amônia e água como aditivo não solvente e reagente de desidrofluoração e HDTMS como o modificador hidrofóbico. Um experimento de absorção de contato de membrana de CO2 de longo prazo foi conduzido para investigar a estabilidade de longo prazo da membrana sob condições alcalinas moderadas. Verificou-se que o fluxo de transferência de massa de CO2 do contator de membrana PVDF-HDTMS diminuiu apenas 17% e depois permaneceu estável durante 17 dias de absorção de contato com a membrana com 1 mol/L de dietanolamina (DEA) como absorvente. Embora as membranas PVDF-HDTMS tenham excelente estabilidade a longo prazo, pesquisas atuais sugerem que melhorias adicionais são possíveis.