Hybrid Ionic Liquid/Metal-Organic Framework-Based Materials for CO2 Separation - Tunable Media for Gas Sorption and Permeation Applications

• Main Author: Ferreira, Tiago Jorge
• Publication Date: 2023
• Language: eng
• Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
• Download full: http://hdl.handle.net/10362/160688
• topic: CO2 Separation; Gas Sorption; Metal-Organic Frameworks; Ionic Liquids; IL@MOF Composites; Gas Permeation; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Química

As emissões de dióxido de carbono (CO2) antropogénico para a atmosfera leveram a um aumento da temperatura média global da Terra. É de extrema importância que estas emissões sejam mitigadas para que as consequências do aquecimento global não sejam ainda mais prejudiciais à vida na Terra. Isto pode ser alcançado com diferentes estratégias, tais como o uso de combustíveis renováveis alternativos, como o biometano (bioCH4) obtido através do upgrading de biogás. Uma abordagem mais direta consiste no uso de tecnologias para Captura e Armazenamento de Carbono (CCS), com particular foco a ser dado no separação pós-combustão de CO2. A alta facilidade em alterar a sua estrutura e a sua afinidade para CO2 pelos quais os líquidos iónicos e redes metaloorgânicas (MOFs) são conhecidos serviram de mote para o desenvolvimento de novos e facilmente alteráveis compósitos híbridos IL@MOF, nos quais o IL está impregnado na estrutura do MOF. Em concreto, a capacidade de sorção e o desempenho seletivo foram avaliados para separação de CO2 de misturas gasosas como biogás e gás de exaustão (flue gas). Os primeiros estudos consistiram na produção de compósitos IL@MOF com a mesma quantidade molar e o estudo dos efeitos catiónico e aniónico. Para isto, um vasto número de ILs foram considerados a partir de três famílias catiónicas e com diferentes aniões. ILs de acetato promoveram efeitos sinérgicos no MOF ZIF-8 entre 0-1 bar. A partir destes resultados, ILs de acetato foram sintetizados com diferentes catiões para um estudo catiónico mais aprofundado. Além disso, o catião 1-etil-3-metilimidazólio foi emparelhado com uma variedade de aniões carboxilato para um estudo aniónico mais aprofundado. Cadeias compridas no catião e anião aumentaram a seletividade para com o CO2, com o maior aumento a ser quase 5 vezes maior que a seletividade do ZIF-8 original a 1 bar, para condições de pós-combustão. Em paralelo, os mesmos compósitos IL@MOF foram estudados como precursores na produção de carvões. Um estudo inicial só usando MOFs como precursores foi desenvolvido para compreender as diferentes tendências relativamente à temperatura de carbonização, estrutura química do MOF e o efeito da lavagem ácida. Dois diferentes estudos foram feitos utilizando materiais IL@MOF, em que no primeiro 3 ILs com grupos ciano foram impregnados no ZIF-8 com diferentes quantidades de IL. No segundo estudo, uma abordagem double-template foi utilizada, na qual o IL serve como template secundário. Por último, diferentes materiais IL@MOF foram aplicados como fillers em membranas de matriz mista (MMMs), um tópico de investigação atual e para as quais compósitos IL@MOF foram raramente utilizados. Em específico, o desempenho de permeação destas membranas foi explorado para separação de CO2 de misturas gasosas como biogás e flue gas. No primeiro estudo, ILs com brometo foram incorporados no MOF MIL-101(Cr) com duas estratégias de impregnação diferentes, e a quantidade de filler na membrana foi estudada. No segundo estudo, diferentes ILs com 1-etil-3-metilimidazólio foram impregnados em ZIF-8. Os efeitos aniónico, quantidade de IL e quantidade de filler foram estudados. Os resultados apresentados nos Capítulos 4 a 8 revelam a importância dos ILs impregnados (isto é, a sua estrutura química e quantidade impregnada) na melhoria das propriedades de sorventes e promoção de efeitos sinérgicos para sorventes IL@MOF aperfeiçoados, bem como a incorporação destes materiais em MMMs para melhorar o seu desempenho de separação de CO2. Mais, são esperadas das tendências reveladas em carvões porosos derivados de MOFs e compósitos IL@MOF que guiem o design de tais materiais alternativos com potencial largamente inexplorado para captura/separação de CO2.