Green Hydrogen Separation from Natural Gas Grids by Adsorption Processes with MOFs
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resumo
Neste projeto, uma nova tecnologia de adsorção com modulação de pressão (AMP/PSA) será desenvolvida para separar hidrogénio verde (HV), a partir das redes de gás natural (GN) numa composição típica: H2(<20%)/CH4(>80%), usando estruturas organo-metálicas (MOFs) com a capacidade de selectivamente adsorver o HV nas redes de GN e separá-lo do metano (CH4) (através de um efeito de peneiro molecular) a uma temperatura criogénica moderada (>-50ºC) e pressão (<40 bar).
A necessidade da descarbonização da economia coloca o HV como peça fundamental para mitigar este problema relacionado com energia e desenvolvimento económico. O HV é uma fonte limpa de energia e pode ser produzido por electrolisadores a água usando fontes de energias renováveis como: eólica, solar, hidroeléctrica ou biomassa.
Para transportar o HV a distâncias longas, a construção de uma nova rede de distribuição de HV é uma opção bastante dispendiosa. Uma solução prática é através da sua incorporação nas redes de GN já existentes. Nesta solução, o maior desafio é a separação do HV da sua mistura com GN para o uso final. Presentemente, a grande parte da produção de H2 de alta pureza a nível mundial faz-se através da tecnologia de adsorção com modulação de pressão (AMP/PSA). No entanto, esta tecnologia não pode ser aplicada para misturas com composição diferente de: H2(>50%)/CH4(<50%) [4]. Para separar o HV incorporado nas redes de GN é necessário unidades PSA que funcionem com misturas na gama: H2(<20%)/CH4(>80%). Isto, porque os adsorventes usados nas unidades PSA adsorvem preferencialmente o CH4 sendo o H2 um inerte, e portanto a dimensão das unidades PSA teria de ser enorme para separar a baixa percentagen de HV possível de incorporar nas redes GN. Para solucionar este problema e reusar a tecnologia PSA para produzir HV de alta pureza com misturas H2(<20%)/CH4(>80%) é necessário descobrir um adsorvente muito específico que adsorva quantidades razoáveis de H2 (>1-4 wt%) e rejeite através de um efeito de peneiro molecular o CH4. Até à data só dois adsorventes conseguem rejeitar da sua estrutura CH4 por um efeito de peneiro molecular: i) o zeólito 3A e ii) CMS 3K com poros pequenos (<3 Å) menores que o tamanho cinético da molécula de CH4 (3.8 Å). No entanto o quantidade adsorvida de H2 é muito pequena (<0.18 wt%) o que inviabiliza o uso das atuais tecnologias PSA em termos económicos.
Uma nova classe de adsorventes organo-metálicas (MOFs) têm-se revelado muito importantes como agentes de separação de diferentes misturas gás/vapor, através da termodinâmica e/ou cinética de adsorção ou mesmo como peneiros moleculares. É expectável que para a separação do H2 de uma mistura H2(<20%)/CH4(>80%) o mesmo possa acontecer. Neste projecto o objectivo será descobrir esse novo MOF e desenvolver uma nova tecnologia PSA para o efeito.
Consequentemente, neste projeto propõe-se desenvolver um novo MOF para excluir CH4 da sua estrutura porosa (peneiro molecular) e adsorver quantidades razoáveis de H2(>1 wt%), para reusar a tecnologia PSA e separar completamente HV incorporado nas redes de GN H2(<20%)/CH4(>80%) a temperaturas criogénicas moderadas (>-50ºC) e pressão (<40 bar).
Este trabalho será desenvolvido numa parceria entre o Instituto de Materiais Porosos de Paris (IMAP) (desenvolvimento de novos MOFs), o Centro de Investigação de Montanha (CIMO)/Laboratório de Processos de Separação e Reação (LSRE) (desenvolvimento do novo processo PSA).
As etapas para desenvolver o novo processo para a separação de HV incorporado nas redes de GN, com misturas na gama H2(<20%)/CH4(>80%) usando MOFs/PSA são as seguintes:
1) Síntese, caracterização e funcionalização de novos MOFs;
2) Estudos “Screening” com misturas na gama H2(<20%)/CH4(>80%) para avaliar a performance dos MOFs;
3) Síntese em larga escala dos melhores MOFs;
4) Determinação de dados termodinâmicos, seletividades e capacidade de adsorção do H2;
5) Desenvolvimento do novo processo cíclico de adsorção (PSA) através de experimentação/simulação;
6) Avaliação económica do novo processo e comparação com outras tecnologias (ex; membranas)
