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May 11, 2023

Polímero hiperreticulado à base de benzeno funcionalizado com amina como adsorvente para adsorção de CO2/N2

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9214 (2023) Citar este artigo

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Neste trabalho, o polímero hiperreticulado (HCP) baseado em benzeno como adsorvente foi modificado usando um grupo amina para aumentar a capacidade de absorção de CO2 e seletividade. Com base no resultado da análise BET, o HCP e o HCP modificado fornecem área de superfície de 806 (m2 g−1) e volume de microporos de 453 (m2 g−1) e 0,19 (cm3 g−1) e 0,14 (cm3 g−1) , respectivamente. A adsorção dos gases CO2 e N2 foi realizada em um reator de escala laboratorial a uma temperatura entre 298 e 328 K e pressão de até 9 bar. Os dados experimentais foram avaliados por meio de modelos isotérmicos, cinéticos e termodinâmicos para identificar o comportamento absorvente. A capacidade máxima de adsorção de CO2 a 298 K e 9 bar foi obtida 301,67 (mg g−1) para HCP e 414,41 (mg g−1) para HCP modificado por amina. A avaliação dos parâmetros termodinâmicos de adsorção de CO2, incluindo mudanças de entalpia, mudanças de entropia e mudanças de energia livre de Gibbs a 298 K foram obtidas − 14,852 (kJ mol−1), − 0,024 (kJ mol−1 K−1), − 7,597 (kJ mol− 1) para HCP e − 17,498 (kJ mol−1), − 0,029(kJ mol−1 K−1), − 8,9 (kJ mol−1) para HCP funcionalizado com amina, respectivamente. Finalmente, a seletividade das amostras foi calculada em uma composição CO2/N2 de 15:85 (v/v) e um aumento de 43% na seletividade de adsorção a 298 K foi obtido para HCP modificado com amina.

O excesso de emissões de CO2 da queima de combustíveis fósseis causa sérios desafios climáticos e ambientais globais, chamando a atenção para as tecnologias de captura e armazenamento de carbono (CCS) em todo o mundo1,2. Ao longo de várias décadas, a captura e armazenamento de CO2 usando aminas líquidas foi desenvolvida como um método aplicável e agora é empregado em uma variedade de aplicações industriais3,4. No entanto, este método tem algumas desvantagens, incluindo alta demanda de energia de recuperação, problemas de corrosão e perdas de amina líquida durante o processo de absorção5,6. Para resolver os problemas mencionados, os pesquisadores têm se concentrado profundamente no desenvolvimento de sorventes sólidos para a captura de CO2 devido aos seus menores requisitos de energia de recuperação, alta capacidade de adsorção, comportamento seletivo na separação de gases e desempenho estável nos ciclos de adsorção-dessorção7. Polímeros orgânicos porosos (POPs) são materiais funcionais com baixa densidade esquelética, grande área de superfície específica e propriedades físicas e químicas estáveis ​​que têm extensas aplicações em armazenamento de gás, catálise química, separação, administração de drogas e qualquer outro campo potencial8. (POPs) são classificados em estruturas orgânicas covalentes (COFs)9,10, polímeros microporosos conjugados (CMPs)11,12, estruturas de tiazina covalentes (CTFs)13,14, estruturas metal-orgânicas (MOFs)15,16, polímeros de origem intrínseca microporosidade (PIM)17,18, polímeros hipercrosslinked (HCPs)19,20, e assim por diante21. Os HCPs são uma classe de plataforma intrigante devido às suas altas áreas de superfície específica, estabilidade química e boa estabilidade térmica e alta acessibilidade22. Geralmente, os HCPs são gerados por reticulação excessiva de monômeros aromáticos via reação de alquilação de Friedel-Crafts, resultando em um polímero esticado que pode permanecer poroso quando o solvente é removido23,24.

Atualmente, existe um interesse significativo no uso de polímero hipercruzado para captura e armazenamento de CO2 e aplicações de separação de gás24. Por exemplo, Hassan, et al.25 sintetizaram polímeros hiper-reticulados ricos em nitrogênio e triptycenos (TNHCP-1), que resultaram em uma capacidade de adsorção de CO2 de 98 mg g-1. Hui Gao et al.26, preparou uma amostra de HCP baseada em piche e investigou a adsorção de CO2 que rendeu a capacidade de absorção de CO2 de 17,74% em peso a 1,0 bar e 273 K. De acordo com as descobertas de pesquisas semelhantes sobre a absorção de CO2 por adsorventes poliméricos, pode-se concluir que melhorar a química da superfície adsorvente aumenta a capacidade de adsorção de CO2 e a seletividade por meio da melhoria das interações intermoleculares entre as moléculas de CO2 e os grupos funcionais da superfície adsorvente7,27,28,29,30,31,32,33. Portanto, a incorporação de heteroátomos como N, O, S, etc. melhora a heterogeneidade do potencial de superfície da amostra de HCP, o que causa aumento na capacidade de absorção de CO2 e seletividade34,35. A adição de grupos amina a um adsorvente sólido é uma abordagem eficaz para melhorar a seletividade porque aumenta a afinidade pela adsorção de CO2 por meio do mecanismo de quimissorção33. Essa incorporação de grupos funcionais em precursores de POPs é uma tarefa demorada porque, na maioria dos casos, os grupos funcionais existentes nos precursores de POPs não suportaram as condições de polimerização, ou devido à incompatibilidade dos grupos funcionais com a reação de polimerização, a polimerização foi sem sucesso36. Uma modificação pós-sintética é uma das formas mais eficazes de resolver esse problema37. Os benefícios da adição de grupos amina a adsorventes sólidos têm atraído cada vez mais atenção para o desenvolvimento de compósitos de amina/material poroso38. Modificação química e impregnação física são tipicamente os dois principais métodos usados ​​para funcionalizar adsorventes sólidos. Embora a modificação química seja um método mais fácil do que a impregnação física, o adsorvente funcionalizado pela modificação química em temperaturas mais altas tem melhor estabilidade química do que o método de impregnação física 29. Por exemplo, Krishnan et al.39 forneceram um adsorvente HCP microporoso modificado por amina (PCP- 1) com capacidade de captação de CO2 de 103,8 mg g−1 a 273 K e 1 bar. Najafi et al. preparou um polímero microporoso que foi impregnado com etileno diamina (B-Cl-1). O resultado mostra a capacidade de adsorção de CO2 de 39,15 mg g−1 a 273 K e 1 bar29.