Green Hydrogen Separation from Natural Gas Grids by Adsorption Processes with MOFs
Projetos
Visão geral
Filiação
Ver Todos
Visão geral
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
