Absorção eficiente de CO2 através de contatores de membrana de filme úmido e descendente: insights de modelagem e simulação

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10994 (2023) Citar este artigo

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Uma correção do autor a este artigo foi publicada em 24 de julho de 2023

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A libertação excessiva de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera representa ameaças potenciais ao bem-estar de várias espécies na Terra, uma vez que contribui para o funcionamento global. Portanto, é necessário implementar ações adequadas para moderar as emissões de CO2. Um contator de membrana de fibra oca é uma tecnologia emergente que combina as vantagens dos processos de separação e absorções químicas. Este estudo investiga a eficácia de contatores de membrana de filme úmido e descendente (FFMC) no aumento da absorção de CO2 em uma solução aquosa de monoetanolamina (MEA). Ao analisar fatores como área de superfície da membrana, taxa de fluxo de gás, taxas de fluxo de entrada de líquido, tempo de contato gás-líquido e carga de solvente, examinamos o processo de absorção de CO2 em ambos os contatores. Nossos resultados revelam uma clara vantagem do FFMC, alcançando uma impressionante eficiência de remoção de CO2 de 85% em comparação com 60% com membranas úmidas. Empregamos o software de simulação COMSOL Multiphysics 6.1 e análise de elementos finitos para validar nossas descobertas, demonstrando uma estreita concordância entre os valores previstos e experimentais, com um erro relativo médio de aproximadamente 4,3%. Essas descobertas destacam a promessa significativa do FFMC para aplicações na captura de CO2.

A transferência de massa e o desempenho hidrodinâmico dos dispositivos de separação utilizados nos processos de absorção de gases são influenciados por vários fatores cruciais. Esses fatores incluem a área de contato gás-líquido, coeficientes de transferência de massa e queda de pressão1. Os contatores de membrana (MCs) ganham atenção em escala piloto e industrial, principalmente para captura de carbono2, reduzindo o consumo e o custo de energia. Os desafios incluem umedecimento dos poros, seleção de solventes e incrustações com possíveis soluções. A revisão destaca princípios de funcionamento, comparações com separação de gases, projetos de módulos e implementações comerciais3,4,5. Consistem em uma membrana porosa que atua como barreira física entre as fases gasosa e líquida, permitindo a transferência seletiva de gases e evitando a mistura das duas fases. Essa estrutura única permite diversas vantagens em relação às taxas de transferência de massa e eficiência do processo6. Os MCs oferecem uma área interfacial substancial, promovendo a transferência de massa eficiente e permitindo a remoção eficaz de impurezas específicas como CO2 e H2S dos fluxos de gás.

Além disso, os MCs apresentam baixas quedas de pressão, diminuindo o consumo de energia e os custos operacionais7,8. Os MCs foram explorados para substituir colunas empacotadas tradicionais em aplicações de captura de carbono e remoção de dióxido de enxofre9. No geral, o uso de MCs representa uma abordagem promissora para transferência de massa gás-líquido em diversas indústrias, e mais pesquisas são necessárias para otimizar seu desempenho e viabilidade comercial10,11,12,13. Materiais poliméricos hidrofóbicos como polipropileno, politetrafluoroetileno e fluoreto de polivinilideno são as membranas hidrofóbicas mais comuns usadas em processos de absorção de CO2 . Os contatores de membrana, que são constituídos por diversas fibras ocas montadas, possuem grande área superficial específica, proporcionando alta área de interface para contato gás-líquido15,16,17,18. No processo de absorção por membrana usando membranas hidrofóbicas, o gás a ser absorvido primeiro é transferido da fase gasosa a granel para o limite gás-membrana e depois se difunde através dos poros da membrana para a interface gás-líquido onde ocorre a absorção . O processo geral de transferência de massa envolve três resistências em série: a resistência da fase gasosa, a resistência da membrana e a resistência do líquido. Idealmente, os poros da membrana são preenchidos com gás e rejeitam a permeação de líquidos para garantir baixa resistência à transferência de massa. No entanto, a maioria das membranas poliméricas utilizadas na absorção de membranas são propensas a molhar durante períodos prolongados de operação, o que pode impactar negativamente o seu desempenho20.