REUTILIZAÇÃO DA ALUMINA NA PRODUÇÃO DE SUPORTES CERÂMICOS APLICADOS NA PURIFICAÇÃO DE HIDROGÊNIO

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1 REUTILIZAÇÃO DA ALUMINA NA PRODUÇÃO DE SUPORTES CERÂMICOS APLICADOS NA PURIFICAÇÃO DE HIDROGÊNIO REUSE OF ALUMINA IN THE PRODUCTION OF CERAMIC SUPPORTS APPLIED IN HYDROGEN PURIFICATION Lidiane Pereira Bessa (1) Natália Mazzarioli Terra (2) Miria Hespanhol Miranda Reis (3) Vicelma Luiz Cardoso (4) Resumo Suportes cerâmicos formados por alumina e produzidos pelo método de inversão de fase seguido de sinterização, tem sido utilizados para deposição de paládio e formação de membranas compostas aplicadas em processos que envolvam a separação do hidrogênio de misturas gasosas. Porém durante a fabricação destes suportes cerâmicos, parte da suspensão formada por alumina é desperdiçada. Diante disso, este estudo avaliou o reaproveitamento da alumina presente na suspensão cerâmica desperdiçada, através do tratamento térmico do material e a reutilização desta alumina na produção de novos suportes cerâmicos. Foi verificado que é possível reaproveitar a alumina, porém a morfologia da estrutura verificada no suporte cerâmico produzido com alumina reaproveitada, não apresentou a formação de filamentos. Palavras-chave: Membranas compostas. Purificação de hidrogênio. Fibras ocas de alumina. Abstract (exemplo) Ceramic supports formed by alumina and produced by the phase inversion method followed by sintering have been used for deposition of palladium and formation of composite membranes applied in processes involving the separation of hydrogen from gas mixtures. However during the manufacture of these ceramic supports, part of the suspension formed by alumina is wasted. Therefore, this study evaluated the reuse of the alumina present in the wasted ceramic suspension, through the thermal treatment of the material and the reuse of this alumina in the production of new ceramic supports. It was verified that it is possible to reuse the alumina, but the morphology of the structure verified in the ceramic support produced with reused alumina, did not present the formation of filaments. Keywords: Composite membranes. Purification of hydrogen. Hollow fibers of alumina. 1 Doutoranda em engenharia química pela Universidade Federal de Uberlândia. lidiane.lpb2@gmail.com 2 Doutoranda em engenharia química pela Universidade Federal de Uberlândia. nat.mazza@hotmail.com 3 Docente da Universidade Federal de Uberlândia. Eng. química. miria@ufu.br 4 Docente da Universidade Federal de Uberlândia. Eng. química. vicelma@ufu.br

2 1 Introdução Membranas compostas do tipo fibras ocas, formadas por uma camada de paládio adicionada em um suporte poroso de alumina, tem sido desenvolvidas para aplicações em processos que envolvam a purificação de hidrogênio (TERRA et al., 2016), visto que, neste tipo de processo, é necessário uma menor espessura de paládio suportado em estruturas que sejam porosas e que apresentem resistência térmica. Diversos estudos (LI et al., 2016; LI, 2007; LEE et al., 2014) recomendam a produção dos suportes cerâmicos formados por alumina com geometria do tipo fibra oca utilizando o método de inversão de fases seguido de sinterização. Porém, durante o processo de inversão de fases, parte da suspensão cerâmica geralmente é desperdiçada por não formar a geometria na forma de fibra oca, enquanto o processo de extrusão não é totalmente estabilizado. Sendo assim, neste trabalho foi estudada a possibilidade da reutilização da alumina, desperdiçada durante o processo de extrusão, para formação de suportes cerâmicos que possam ser aplicados na purificação do hidrogênio. 2 Material e Métodos Materiais Utilizados A suspensão cerâmica foi composta, por porcentagem em massa, de 60% alumina (Al2O3; com 1,0 µm de diâmetro, Alfa Aesar, 99,9%); 33,6% de NMP (N-metil-2-pirrolidona, Vetec Sigma-Aldrich, > 99,0%) utilizado como solvente; 6% de PESF (Polietersulfona em pó, Veradel 3000P, Solvay) como agente ligante polimérico e 0,4% de Arlacel (Arlacel 170, Croda do Brasil), usado como aditivo. A água deionizada foi utilizada como coagulante interno durante a extrusão das fibras. O air-gap utilizado foi 5 cm. Fabricação da micro-estrutura de fibra oca de alumina A extrusão foi realizada, utilizando duas bombas seringas (PHD/Ultra Harvard Apparatus) conectadas cada uma em uma seringa de aço inoxidável, na qual uma bomba seringa bombeou a suspensão cerâmica que compõe a fibra, e a outra, bombeou a água deionizada. Após a extrusão, as fibras permaneceram 24 h em banho com água, em seguida foram mantidas em contato com o ar durante mais 24 h para que pudessem secar, e por fim, foram sinterizadas no Forno (Jung, Ltda; modelo LF00614), todas à Preparo da alumina para reutilização O reaproveitamento da alumina presente no precursor cerâmico, que não formou a geometria fibra oca, ocorreu seguindo os seguintes passos: a massa cerâmica foi submetida a temperatura de 800 C no forno para garantir a retirada do polímero, na sequência o material

3 retirado do forno foi moído manualmente e peneirado para garantir a dispersão das partículas. A alumina obtida com este peneiramento foi reutilizada para formação da Fibra B. Caracterização das Fibras A morfologia e a microestrutura das fibras foram caracterizadas pela microscopia eletrônica de varredura (MEV). A resistência à flexão das fibras foi utilizando a máquina Intron A permeabilidade à água das fibras foi medida utilizando o módulo Convergence Inspector Minus e foram realizadas filtrações dead-end. 3 Resultados e Discussão Inicialmente foi produzida a Fibra A, utilizando alumina nova e na sequência, a massa cerâmica utilizada na produção da Fibra A, mas que não formou a geometria fibra oca, foi reaproveitada, gerando então a Fibra B. A morfologia destas duas fibras foram avaliadas quanto a morfologia através de imagens obtidas com o MEV, apresentadas na Figura 1, e suas caracterizações quanto as dimensões, resistência mecânica e permeabilidade à água foram apresentadas na Tabela 1. Figura 1 - MEV da morfologia na secção transversal das Fibras A e C, produzidas com alumina nova e alumina reutilizada, respectivamente. Fibra A 4,90 ± 0,17% Fibra B 27,91 ± 0,73% Estrutura simétrica Na estrutura de ambas da Fibra A foi verificada a presença de filamentos oriundos tanto da superfície externa, quanto da superfície interna das fibras. Isso ocorre por que, durante a fabricação das fibras, foi desenvolvida uma instabilidade interfacial à medida que as superfícies das membranas entram em contato com o não-solvente (água). Segundo a hipótese de Rayleigh-Taylor, a instabilidade interfacial é formada devido às diferenças de densidade, viscosidade e composição na interface suspensão cerâmica/coagulante, o que induz a

4 transferência de massa, ocorrendo a extração do solvente e a precipitação do polímero (LEE et al., 2015). A Fibra B foi produzida com os mesmos parâmetros de extrusão e proporções na suspensão cerâmica que a Fibra A. Porém, diferentemente da Fibra A, a estrutura ao longo da Fibra B não apresentou filamentos. Além disso, a Fibra B apresentou uma espessura menor (0,017±0,001 cm) que a espessura verificada na Fibra A (0,021±0,001 cm), sendo estas espessuras diferentes entre si de acordo com o teste de Tukey. Apesar da ausência de filamentos na estrutura da Fibra B, a menor espessura da Fibra B proporcionou uma resistência mecânica 11,50% menor que a resistência mecânica da Fibra A (Tabela 1). Já a permeabilidade à água da Fibra B (7,15±0,42 L/h.m 2.kPa) não apresentou diferença estatística, de acordo com o teste de Tukey, quando comparada com a permeabilidade à água da Fibra A (6,20±0,01 L/h.m 2.kPa). Tabela 1 Caracterizações das Fibras A e B quanto as dimensões, resistência mecânica e permeabilidade à água. Caracterizações Fibra A Fibra B Diâmetro externo (cm) 0,207 a ±0,001 0,193 b ±0,002 Espessura (cm) 0,021 a ±0,001 0,017 b ±0,001 Região filamentosa total (%) 32,81±0,71 - Resistência mecânica (MPa) 58,70 a ±0,64 51,95 b ±0,57 Permeabilidade à água (L/h.m 2.kPa) 6,20 a ±0,01 7,15 a ±0,42 Coeficiente de determinação (R 2 ) 0,992 0,995 *Letras diferentes em uma mesma linha indicam diferença estatisticamente significativa entre as amostras (p 0,05). Estes resultados mostram que é possível a reutilização da alumina através da queima dos compostos orgânicos e aditivos presentes nas fibras precursoras que, durante o processo de extrusão, não formaram a geometria fibra oca. Porém a estrutura desejável para aplicação das fibras ocas como suporte para purificação de hidrogênio em membranas compostas de alumina e paládio, são estruturas que apresentem morfologia filamentosa, sendo assim, sugere-se um estudo para o ajuste dos parâmetros de extrusão da Fibra B, para que esta apresente uma estrutura menos denso e mais filamentosa.

5 4 Conclusões É possível a reutilização da alumina através do tratamento térmico e moagem do material, quando a massa cerâmica é desperdiçada ao longo do processo de produção das fibras, porém, para formação da estrutura requerida para aplicações que envolvam purificação de hidrogênio (estrutura filamentosa) é necessário um estudo dos parâmetros de extrusão da fibra. 5 Agradecimentos/ Apoio financeiro Os autores agradecem a Universidade Federal de Uberlândia e a Faculdade de Engenharia Química pela oportunidade em realizar este trabalho. Agradecem também ao apoio financeiro da CAPES. Referências LEE, M.; WU, Z. T.; WANG, R.; LI, K. Micro-structured alumina hollow fibre membranes Potential applications in wastewater treatment. Journal of Membrane Science, 461, p , LEE. M; WANG B.; WU, Z.; LI, K. Formation of micro-channels in ceramic membranes Spatial structure, simulation, and potential use in water treatment. Journal of Membrane Science,483, p. 1-14, LI, L.; CHEN, M.; DONG, Y.; DONG, X.; CERNEAUX, S.; HAMSPSHIRE, S.; CAO, J.; ZHU, L.; ZHU, Z.; LIU, J. A low-cost alumina-mullite composite hollow fiber ceramic membrane fabricated via phase-inversion and sintering method. Journal of the European Ceramic Society, China, 36, p , LI, K. Ceramic Membranes for Separation and Reaction. Department of Chemical Engineering and Chemical Technology, Imperial College London, UK, John Wiley & Sons, Ltd, 306 p., TERRA, N. M.; LEMOS, C. O. T; Da SILVA, F. B.; CARDOSO, V. L.; REIS, M. H. M. Characterisation of asymmetric alumina hollow fibres: application for hydrogen permeation in composite membranes. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 33, p , 2016.