Membranas de nova geração para separação de CO2 de efluentes gasosos

Abstract

Este trabalho foca-se na preparação e caraterização de membranas compósitas para separação de CO2 a altas temperaturas. As membranas incluem um cerâmico condutor de ião óxido (neste caso a céria dopada com Gd) e uma mistura de carbonatos alcalinos (de Na e Li), normalmente identificada como condutora de iões carbonato. Fluxos em sentidos opostos destas duas espécies originam o processo de transporte de CO2. O trabalho desenvolvido pretendeu aprofundar o conhecimento existente sobre o papel individual de cada fase neste processo, nomeadamente das chamadas reações de superfície. As membranas compósitas foram preparadas por um processo envolvendo duas fases, primeiro a consolidação da fase cerâmica e depois a impregnação com carbonatos fundidos. Foram exploradas diferentes condições de processamento com o objetivo de tentar obter microestruturas homogéneas. As membranas foram caraterizadas por microscopia eletrónica de varrimento e por espetroscopia de impedância em diferentes atmosferas. Os resultados obtidos permitem conhecer o comportamento da fase cerâmica isolada e do compósito, abrindo caminho para a avaliação do comportamento dos carbonatos fundidos nos compósitos. A temperaturas típicas de operação destas membranas (cerca de 600-700 °C), a fase de carbonatos fundidos parece ter um papel central em termos de condução iónica e processo de elétrodo, o que se compreende atendendo à relativa baixa condutividade iónica da fase cerâmica

This work focuses on the preparation and characterization of composite membranes for CO2 separation at high temperature. These membranes include a ceramic oxide-ion conductor (in this case Gd-doped ceria) and a mixture of alkali carbonates (Na and Li), usually identified as carbonate-ion conductors. Flows in opposite directions of these two species originate the desired CO2 transport process. The work intended to deepen existing knowledge about the individual role of each phase in this process, in particular the so-called surface reactions. The composite membranes were prepared by a two phase process, firstly involving the consolidation of the ceramic phase and afterwards the impregnation with molten carbonates. Different processing conditions were explored in order to try to obtain homogeneous microstructures. Membranes were characterized by scanning electron microscopy and impedance spectroscopy in different atmospheres. The results allow us to know the behavior of the isolated ceramic phase and the composite, paving the way for assessing the behavior of the carbonates within the composites. At typical operating temperatures of these membranes (approximately 600-700 ° C), molten carbonates seem to have a central role in the ionic conduction and electrode processes, which can be understood given the relative low ionic conductivity of the ceramic phase.