Membranas de separação de CO2

Abstract

Este trabalho incide na preparação de membranas compósitas para separação de CO2 a altas temperaturas. Estas membranas são baseadas em céria dopada com gadolínio e carbonatos alcalinos. A preparação das membranas é realizada em dois passos. No primeiro passo é feito o esqueleto cerâmico poroso e num segundo passo é feita a impregnação de carbonatos nestes mesmos esqueletos. A fase cerâmica presente na membrana assegura o transporte do ião óxido enquanto a fase carbonatos assegura o transporte do ião carbonato. A preparação destes compósitos foi realizada através de uma calcinação prévia do cerâmico a duas temperaturas diferentes, seguida de prensagem e sinterização. Os esqueletos cerâmicos, as membranas impregnadas e os substratos porosos obtidos por remoção dos carbonatos da membrana por ataque químico, foram caraterizados por microscopia eletrónica de varrimento e por espetroscopia de impedância para correlacionar a microestrutura com a condutividade do ião óxido em todos estes tipos de materiais. Com base nos resultados de caraterização elétrica explorou-se a possibilidade de prever o comportamento dos compósitos a partir de um circuito equivalente envolvendo ramos paralelos independentes relacionados com as propriedades individuais dos seus constituintes. Por último, para confirmar a permeabilidade que esta membrana apresenta ao CO2, foram realizados alguns ensaios preliminares envolvendo cromatografia em fase gasosa.

This work focuses on the synthesis of composite membranes for CO2 separation at high temperature. These membranes are based on ceria doped with gadolinium and alkaline carbonates. The synthesis of these membranes is performed in two steps. In the first step, a porous ceramic skeleton is consolidated from tailored powders and in the second step the impregnation of carbonates is obtained after heat treatment above the carbonates melting temperature. The ceramic phase present in the membrane is responsible for the transport of the oxide-ion, while the carbonate phase ensures the transport of carbonate ions. The preparation of these composites was performed after calcination of the ceramic powder at two different temperatures, then pressing and sintering. The ceramic skeletons, the impregnated composite membranes and the porous substrates obtained after chemical removal of the carbonates from the composite, were all characterized by scanning electron microscopy and by impedance spectroscopy, to try to correlate the microstructure with the oxide-ion conductivity. Based on these data, an equivalent circuit was tested as a tool to predict the performance of these composites. The circuit comprises two parallel branches related to the individual properties of the composite constituents. Lastly, to check de CO2 permeability, a preliminary study was carried out using gas phase chromatography.