Síntese e caracterização de discos de carbonos ativados com aplicação no armazenamento de gás natural

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, 2006.O Estado brasileiro tem como meta ampliar para cerca de 15% a participação do gás natural (GN) na matriz energética nacional até 2010. Entretanto, a expansão do emprego do GN enfrenta dificuldades relacionadas ao seu armazenamento e transporte para regiões não assistidas por gasodutos. Nas condições padrões de temperatura e pressão este combustível apresenta uma densidade de energia demasiadamente baixa (0,038 MJ/L). Já as formas comprimida e liquefeita requerem condições extremas de pressão ou temperatura (> 200 atm e –161 ºC, respectivamente), o que torna os sistemas dispendiosos e pouco operacionais dependendo do nicho de aplicação. Dentro deste contexto, o emprego do gás natural adsorvido (GNA) sobre materiais microporosos tem se apresentado como uma interessante alternativa, pois permite armazenar o gás com densidades de energia relativamente elevadas em condições mais favoráveis (temperatura ambiente e pressões da ordem de 35 atm). O objetivo do presente trabalho é a preparação, a partir do bambu (Dendrocalamus giganteus), de discos de carbono ativados com aplicação no armazenamento de gás natural. Inicialmente realizouse a impregnação do bambu com ácido fosfórico. A seguir, o material impregnado foi conformado na forma de discos através da prensagem a quente. Estes discos foram então tratados termicamente a 450 ºC sob atmosfera inerte e posteriormente lavados com água para remoção do ácido. Adicionalmente, alguns discos ativados quimicamente foram submetidos a um tratamento térmico (600 ºC) em atmosfera de CO2 na tentativa de otimizar a estrutura porosa via ativação física. Os materiais obtidos foram caracterizados quanto à estrutura porosa (avaliadas através das isotermas de N2 a -196 ºC e CO2 a 0 ºC), densidade aparente e capacidade de adsorção de metano. O material com melhor performance apresentou uma capacidade de adsorção de metano de 102 v/v e foi obtido através da ativação química utilizando-se uma proporção fósforo/precursor de 0,34 g/g. No caso das tentativas de ativação com o CO2, a elevada reatividade dos materiais de carbono, obtidos a partir do bambu, associada a restrições difusionais do CO2 nas condições de síntese impediram o desenvolvimento adicional da estrutura porosa. Por fim, realizou-se um estudo a respeito da densidade do metano adsorvido nos ultra e supermicroporos, sendo que os resultados obtidos puderam ser relacionados à performance dos materiais. ______________________________________________________________________________ ABSTRACTThe Brazilian Government aims to enlarge the participation of natural gas (NG) in the national energetic matrix up to around 15% until 2010. However, the expansion of the employment of NG has faced difficulties related to gas storage and transportation to areas unattended by pipe-lines. In the standard conditions of the temperature and pressure the NG exhibit a too low energy density (0.038 MJ/L). In turn, the compressed and liquefied forms demand extreme conditions of temperature or pressure (> 200 atm and –161 ºC, respectively), which makes the systems expansive and few operational depending on the application being considered. In this context, the use of NG as an adsorbed phase on microporous materials is an interesting alternative because it allows to store the gas with relatively high energy density at room temperature and pressures as low as 35 atm. The present work aims to prepar, from bamboo (Dendrocalamus giganteus), activated carbon discs for storing NG. Firstly, the precursor was impregnated with phosphoric acid and the impregnated material was conformed to the form of discs by hot pressing. Then, the discs were carbonized up to 450 ºC and washed with water to remove the acid. As an attempt to optimize the porous structure of the chemically activated samples by physical activation, some discs were additionally submitted to a thermal treatment up to 600 °C under a CO2 atmosphere. The generated materials were characterized in respect to their porous structures (assessed from their adsorption isotherms of N2 at -196 ºC and CO2 at 0 ºC) and measurements of apparent densities and methane adsorption capacities. The sample with the best performance, obtained by chemical activation with a ratio phosphorous/precursor of 0,34 g/g, presented a methane adsorption capacity of 102 v/v. In the case of the thermal treatments with CO2, the elevated reactivity of the carbons discs associated to diffusional problems of CO2 in the synthesis conditions prevented any additional development of the porous structure. Finally, a study about the density of the adsorbed phase in the ultra and supermicropores has carried out, being that the results could be related to the performance of the materials