Polimerização in situ de polidopamina na produção de membranas de matriz mista para separação de gases

Abstract

Resumo: A busca por alternativas que diminuem os efeitos dos gases prejudiciais ao meio ambiente, assim como a produção de energias mais limpas, fizeram aumentar a procura de equipamentos/materiais que apresentem melhor eficiência e custo-benefício na separação de gases, um destes métodos é o uso de membranas poliméricas. Entretanto, esses materiais apresentam fatores de desempenho de seletividade e permeabilidade e devido as propriedades intrínsecas dos polímeros, geralmente ocorre um efeito de alteração "trade-off" ao aumentar um parâmetro o outro tende a diminuir. Uma alternativa para melhorar as propriedades das membranas é a utilização de materiais com alta afinidade por um dos componentes da mistura de gases. Desta forma, neste trabalho foram desenvolvidas membranas poliméricas de matriz mista (MMM), com base no copolímero PEBAX e um polímero bionsipirado conhecido como polidopamina (PDA). As membranas foram preparadas pela polimerização in situ da polidopamina dentro da mistura de solução do PEBAX, induzidas através de oxidante (NaOH) tendo a concentração de solvente e dopamina como variantes do processo. A caracterização das membranas foram realizadas por ensaios morfológicos, estruturais e térmicos (FTIR, DRX, MEV e DSC) e ensaios de permeação de gases para avaliar a propriedades de transporte para a separação de CO2, N2 e CH4. Os ensaios de MEV evidenciaram uma morfologia densa para todas as membranas, porém com detalhes específicos após a adição da PDA. A análise de FTIR indicou que as diferentes concentração da mistura de solventes não demonstraram alteração nos componentes da amostra, embora o desvio de alguns picos indicaram que houve alteração na cristalinidade do material, que foram comprovadas pelo DRX e DSC. A incorporação da PDA apresentaram uma estrutura cristalina diferente na qual o espaçamento d é maior. A incorporação da polidopamina para membranas produzidas com 70% etanol e concentração de dopamina de 1,0 mg/mL resultou um aumento na seletividade de CO2/N2 e CH4/N2, chegando a cerca de 73% e 130%, comparado com o PEBAX puro, esses efeitos foram relacionados com alteração da cristalinidade que reduziram após a adição da PDA e causaram uma alteração no transporte de gases. Essas mudanças no transporte de gases foram relacionados com a interação da PDA com o CO2 e CH4, esse comportamento demonstra uma relação com o modelo de solução-difusão e também pelo modelo de transporte facilitado. A produção de membranas pelo método in situ se mostrou pertinente, apresentando uma seletividade superior ao material puro dependendo da concentração da dopamina utilizada, além de possuir uma fácil produção e baixa toxicidade devido aos solventes utilizados. Logo, compreende-se que este tipo de estudo agrega maiores fontes de pesquisas e desenvolvimento nos setores na área de membranas podendo, assim, colaborar com a comunidade científica na busca de fontes de energias mais limpas e acarretando na melhoria de materiais já utilizados.

Abstract: The search for alternatives that reduce the effects of harmful gases to the environment, as well as the production of cleaner energy, has increased the demand for equipment/materials that present better efficiency and cost-effectiveness in gas separation, one of these methods is the use of polymeric membranes. However, these materials have performance factors of selectivity and permeability, and due to the intrinsic properties of polymers, there is usually a trade-off between increasing one parameter and decreasing the other. An alternative to improve the properties of membranes is the use of materials with high affinity for one of the components of the gas mixture. Thus, in this work, mixed matrix polymeric membranes (MMM) were developed, based on PEBAX copolymer and a bionsypyrrole polymer known as polydopamine (PDA). The membranes were prepared by in situ polymerization of polydopamine within the PEBAX solution mixture, induced via oxidant (NaOH) with solvent concentration and dopamine as process variants. Characterization of the membranes were carried out by morphological, structural and thermal tests (FTIR, XRD, SEM and DSC) and gas permeation tests to evaluate the transport properties for CO2, N2 and CH4 separation. The SEM tests showed a dense morphology for all membranes, but with specific details after the addition of PDA. The FTIR analysis indicated that the different concentrations of the solvent mixture showed no change in the sample components, although the deviation of some peaks indicated that there was a change in the crystallinity of the material, which were proven by XRD and DSC. The incorporation of PDA showed a different crystalline structure in which the d-spacing is larger. The incorporation of polydopamine for membranes produced with 70% ethanol and dopamine concentration of 1.0 mg/mL resulted in an increase in CO2/N2 and CH4/N2 selectivity, reaching about 73% and 130%, compared to pure PEBAX, these effects were related to changes in crystallinity that reduced after the addition of PDA and caused a change in gas transport. These changes in gas transport were related to the interaction of PDA with CO2 and CH4, this behavior shows a relationship with the solution-diffusion model and also by the facilitated transport model. The production of membranes by the in-situ method proved to be pertinent, presenting a higher selectivity than the pure material depending on the concentration of dopamine used, besides having an easy production and low toxicity due to the solvents used. Thus, it is understood that this type of study adds greater sources of research and development in the membrane area, and thus, can collaborate with the scientific community in the search for cleaner energy sources and leading to the improvement of materials already in use.