Membranas são barreiras delgadas e semipermeáveis que permitem a passagem seletiva de determinadas moléculas, ao mesmo tempo em que restringem a passagem de outras. A separação de espécies químicas por membranas pode ocorrer com base em diferenças de tamanho molecular, afinidade físico-química com o material da membrana ou carga elétrica.
Membranas para separação de gases são empregadas na purificação de correntes gasosas, possibilitando a separação e o enriquecimento de componentes específicos, bem como a obtenção de gases com diferentes graus de pureza.
Histórico Membranas Poliméricas Os fundamentos que deram origem ao desenvolvimento de membranas para separação de gases remontam ao século XIX. Em 1831, o cientista John Kearsley Mitchell observou a perda gradual de flutuabilidade de balões de borracha preenchidos com hidrogênio ao longo do tempo. Esse fenômeno foi atribuído à permeação do hidrogênio através do material que constituía a parede do balão, constituindo uma das primeiras observações experimentais relacionadas à permeação gasosa em materiais poliméricos.Mitchell, J. K. (1995). On the penetrativeness of fluids. Journal of Membrane Science, 100(1), 11–16. doi:10.1016/0376-7388(94)00227-P Em 1867, Thomas Graham observou que diferentes gases penetravam a estrutura de balões de borracha em diferentes velocidades, correlacionando esses dados com a lei de Fick da difusão Graham, T. (1867). On the absorption and dialytic separation of gases by colloid septa. Journal of the Franklin Institute, 83(1), 39–41. doi:10.1016/0016-0032(67)90260-8.
Um importante passo no desenvolvimento de membranas poliméricas para separação de gases foi dado por Sidney Loeb e Srinivasa Sourirajan, com o desenvolvimento de membranas anisotrópicas através da metodologia de inversão de fases, inicialmente aplicadas em processos de osmose inversa e depois aplicadas para a separação de gases. Essa metodologia permitiu a obtenção de uma membrana com uma camada densa e delgada suportada por uma base porosa, reduzindo a resistência do material à passagem de gases.Bernardo, P.; Kujawa, J.; Golemme, G. (2009). Membrane Gas Separation: A Review/State of the Art. Industrial & Engineering Chemistry Research, 48(10), 4638–4663. doi:10.1021/ie8019032.
Ao final dos anos 1970, a Kuskovo Chemical Plant, em Moscou, na Rússia, iniciou a produção de membranas de poli(vinil trimetilsilano) (PVTMS) para a separação de oxigênio e nitrogênio e para a rcuperação de hidrogênio, em módulos de placa-e-quadro, encerrando-se nos anos 1990.Yu.P. Yampol'skii, V.V. Volkov. (1991). Studies in gas permeability and membrane gas separation in the Soviet Union. Journal of Membrane Science, Volume 64, Issue 3, Pages 191-228, ISSN 0376-7388; doi:10.1016/0376-7388(91)80092-K.
A primeira aplicação comercial de membranas poliméricas para separação de gases ocorreu em 1980. Nesse período, a Monsanto, por meio da divisão Permea, iniciou a produção das membranas Prism™, destinadas à recuperação de hidrogênio em correntes gasosas provenientes da produção de amônia. Essas membranas, fabricadas em poli(sulfona) e na configuração de fibra oca, passaram posteriormente a ser utilizadas também no ajuste da composição do gás de síntese.
Ainda na década de 1980, empresas como Cynara, Separex e Grace Membrane Systems começaram a produzir membranas voltadas à remoção de dióxido de carbono (CO₂) do gás natural. Paralelamente, a Dow introduziu a primeira planta industrial para a produção de nitrogênio a partir do ar atmosférico, utilizando membranas da série Generon®.
A partir do desenvolvimento de novos materiais altamente seletivos pelas companhias Dow, Ube e DuPont/Air Liquide, a separação de N₂ passou a apresentar custos competitivos com outros processos disponíveis no mercado.
Membranas Inorgânicas
Mecanismo de Separação A separação de diferentes gases ocorre através do mecanismo de sorção-difusão.
Referências