Alternativas para os atuais processos de separação com uso intensivo de energia na indústria química poderiam diminuir significativamente tanto o CO do setor2 pegada e seu consumo de energia. No projeto de doutoramento que conduziu no grupo de Engenharia de Processos Sustentáveis, Serena Agnolin desenvolveu novas membranas para a produção de hidrogénio de forma mais sustentável. Ela defendeu sua tese cum laude no dia 7 de maio no Departamento de Engenharia Química e Química.
A indústria química é um dos principais contribuintes para o CO2 emissões provenientes de processos industriais. A maioria das reações químicas produz não um produto, mas sim uma mistura de diferentes compostos, dos quais a molécula pretendida deve ser separada.
A técnica de separação mais utilizada é a destilação, que se baseia nos diferentes pontos de ebulição dos vários componentes da mistura, necessitando de calor e, portanto, de energia. A destilação é uma das partes da planta química que mais consome energia, contribuindo significativamente para a produção de CO2 emissões.
Separar produtos valiosos de uma maneira diferente pode, assim, reduzir o CO2 emissões e, ao mesmo tempo, reduzir o consumo de energia.
Em sua pesquisa de doutorado, Serena Agnolin, nascida na Itália, concentrou-se nos chamados reatores de membrana para produzir hidrogênio, que pode ser usado como composto químico ou como combustível. Nestes tipos de reatores, são utilizadas membranas para separar o hidrogênio diretamente no recipiente de produção do restante dos produtos da reação. Isto evita o uso de outros componentes de separação grandes e que consomem muita energia posteriormente no processo.
Produção de hidrogênio
“Minha pesquisa fez parte de um projeto europeu de maior escala chamado MACBETH”, diz Agnolin. “Esse projeto tinha como objetivo desenvolver um reator de membrana catalítica para quatro processos químicos diferentes. Eu estava trabalhando nas membranas para produção de hidrogênio a partir de gás natural.”
Agnolin focou em membranas feitas de paládio, já que esse material possui alta seletividade ao hidrogênio. Tradicionalmente, as membranas de paládio são suportadas por um substrato feito de cerâmica. “No entanto, as cerâmicas são frágeis e tendem a falhar ou quebrar. Nossa ideia era recriar essas membranas em um tubo de metal, para torná-las mais fortes.”
Preenchendo os poros
Embora isto possa parecer bastante simples, concretizar esta ideia na prática revelou-se um desafio, diz Agnolin. “Era impossível depositar uma vasta camada de paládio sem defeitos sobre o metal, por mais que eu o polisse. Além disso, o metal viajava para o paládio em alta temperatura. Até desenvolvi uma camada intermediária dedicada, mas ainda assim eu não foi capaz de fechar os buracos no tubo de metal.”
A descoberta veio quando um dia o pesquisador PhD decidiu preencher os buracos do tubo de metal com cerâmica. “Isso finalmente tornou as tão procuradas membranas estáveis com alta seletividade ao hidrogênio.”
Agnolin testou suas membranas em um reator de leito fixo que combina metano com vapor de água para produzir hidrogênio, dióxido de carbono e monóxido de carbono. “Com nossas membranas, conseguimos separar eficientemente o hidrogênio dos outros produtos da reação. E ao remover o hidrogênio durante a reação, mais metano foi convertido em hidrogênio.”
Passando no teste final
Além da reação de reforma a vapor do metano, Agnolin também testou suas membranas em uma reação diferente, ou seja, a produção de hidrogênio pelo craqueamento da amônia. “Como essa reação pode ser usada para produzir hidrogênio para células a combustível, o hidrogênio produzido deve ser muito puro e, portanto, a seletividade das membranas deve ser ainda maior para esta aplicação”.
Para sua grande satisfação, as membranas de Agnolin também passaram neste teste ainda mais difícil. Com a defesa da tese, terminou o envolvimento de Agnolin no desenvolvimento das membranas de paládio.
Atualmente, ela trabalha como pós-doutorado no mesmo grupo em outro tipo de membrana: membranas de peneira molecular de carbono que são utilizadas na separação de gases. “Na semana seguinte à minha defesa, acabei de voltar ao escritório. Ainda há muito trabalho a ser feito”, ela sorri.
Produção de membranas de paládio
Juntamente com seus colegas, Serena Agnolin fez um vídeo de instruções para a produção de membranas de paládio com suporte metálico.
Desejo por processos criativos
Embora ainda não tenha certeza se permanecerá na academia ou fará a transição para a indústria em algum momento de sua carreira, a engenheira química italiana sabe muito bem o que procura em um emprego.
“Gosto de desenvolver coisas novas a partir do zero e adoro escrever artigos. Sou provavelmente um dos poucos investigadores doutorados que realmente gostou de escrever uma tese. Escrever é um processo criativo, tal como a arte e o desenho. E criar coisas novas, seja isso seja na escrita ou na tecnologia, é o que mais amo.”
Serena Agnolin defendeu a tese “Desenvolvimento de membranas à base de Pd com suporte metálico para separação de H2: Projeto e aplicação em reatores de membrana” no Departamento de Engenharia Química e Química no dia 7 de maio de 2024.
Supervisores: Fausto Galucci e John van der Schaaf
