Comparação da dinâmica de fluidos computacional de absorventes líquidos predominantes para a separação do poluente ácido SO2 dentro de um contator de membrana

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 1300 (2023) Cite este artigo

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Nos últimos anos, a emissão de poluentes ácidos prejudiciais à atmosfera tem levantado preocupações dos cientistas. O dióxido de enxofre (SO2) é um gás de efeito estufa prejudicial, cuja liberação anormal na atmosfera pode causar efeitos ambientais e de saúde de longo alcance, como chuva ácida e problemas respiratórios. Portanto, encontrar técnicas promissoras para aliviar a emissão desse gás de efeito estufa pode ser de grande urgência para a proteção ambiental. Este trabalho tem como objetivo avaliar o potencial de três novos absorventes (água do mar (H2O), dimetil anilina (DMA) e hidróxido de sódio (NaOH) para separar o poluente ácido SO2 do fluxo gasoso SO2/ar dentro do contator de membrana de fibra oca (HFMC). Para atingir esse objetivo, uma simulação baseada em CFD foi desenvolvida para prever os resultados. Além disso, um modelo matemático foi aplicado para avaliar teoricamente as equações de transporte em diferentes compartimentos do contator. A comparação dos resultados indicou que a água do mar é o absorvente líquido mais eficiente para separar SO2. Depois da água do mar, NaOH e DMA são colocados na segunda e terceira posição (99,36% de separação usando água do mar > 62% de separação usando NaOH > 55% de separação usando DMA). Além disso, a influência dos parâmetros operacionais (isto é, fluxo de gás e líquido taxas) e também parâmetros de membrana/módulo (ou seja, comprimento do módulo de membrana, número de fibras ocas e porosidade) na porcentagem de separação de SO2 é investigado como outro destaque deste artigo.

Nos últimos anos, a combustão de combustíveis fósseis é conhecida como uma das razões importantes da emissão de gases de efeito estufa de origem humana para a atmosfera1,2,3. O dióxido de enxofre (SO2) é um importante gás de efeito estufa, cuja liberação na atmosfera pode resultar em vários efeitos adversos à saúde humana e ao ecossistema, incluindo problemas respiratórios, ataques de asma, poluição urbana e chuva ácida4,5. Pela emissão desse gás ácido para a atmosfera, são gerados trióxido de enxofre (SO3) e ácido sulfúrico (H2SO4), que podem ser conhecidos como fonte secundária de poluentes. A deposição anormal desses contaminantes secundários provoca a acidificação dos mananciais e danifica as culturas agrícolas6,7. Portanto, a separação desses poluentes prejudiciais tem encontrado grande importância devido à legislação de rígidas regulamentações ambientais em todo o mundo8,9.

Absorção de gás baseada em membrana usando contator de membrana de fibra oca microporosa (HFMC) é conhecida como uma alternativa confiável para processos de separação prevalentes de gases de efeito estufa, como destilação criogênica, torre de leito compactado, torre de pulverização e adsorção10,11,12,13,14. Os HFMCs têm sido recentemente de grande interesse como um dispositivo de transferência de massa devido a vantagens díspares, como áreas interfaciais constantes, flexibilidade de operação e simplicidade de aumento de escala e ajuste independente de fluxos de gás/líquido15,16,17,18. O importante papel dos materiais de membrana na separação de poluentes ácidos é incontestável. Nos últimos anos, polipropileno (PP), fluoreto de polivinilideno (PVDF), poliéter sulfona (PSf) e politetrafluoretileno (PTFE) estão entre os materiais mais comumente empregados para a fabricação de membranas hidrofóbicas13,19,20,21,22,23. A verdadeira seleção do absorvente químico é uma importante responsabilidade de pesquisadores e cientistas para melhorar a eficiência da separação dos gases de efeito estufa. A existência de algumas vantagens como ecologicamente correto, seletividade adequada, excelente eficiência e custo razoável podem aumentar a popularidade de um absorvente líquido para uso em processos de absorção de gás baseados em membrana14,24.

CFD é um novo ramo da ciência, que possui grande capacidade de prever os fenômenos de escoamento de fluidos com base nas leis de conservação25,26,27. Devido ao benefício indiscutível da abordagem CFD para diferentes indústrias de processo, seu rápido avanço e vastas utilizações ocorreram nas últimas décadas28,29. O desenvolvimento contínuo de ferramentas CFD e sua crescente capacidade de prever os resultados com menores custos aumentaram significativamente a popularidade dessa abordagem entre os pesquisadores de diferentes âmbitos científicos30,31,32,33,34. No caso do processo de absorção de gás baseado em membrana, a aplicação da técnica CFD para analisar as principais equações de transporte através de lados díspares do HFMC tem sido uma alternativa promissora para diminuir o custo de investigações experimentais35,36,37.