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O trabalho de Fritz Haber sobre a fixação do nitrogénio do ar, pelo qual recebeu o Prémio Nobel de Química (concedido em 1919), é uma das contribuições mais importantes para o desenvolvimento do mundo como o conhecemos. Anualmente, c.a. 200 milhões de toneladas de amoníaco são produzidas industrialmente pelo processo de Haber-Bosch, usando N2 (do ar) e H2 (do gás natural). A maior parte deste amoníaco destina-se à produção de fertilizantes, que constitui uma das bases da sociedade moderna sobre a qual assenta a capacidade de alimentar uma população de 7 000 milhões. No entanto, a rota tradicional de produção depende do metano, sendo altamente intensiva no uso de energia e emitindo grandes quantidades de CO2.
O nitreto de carbono grafítico (g-C3N4) tem atraído muita atenção devido à sua semelhança com o grafeno e suas propriedades como semicondutor óptico. Comparado ao TiO2, o g-C3N4 apresenta um bandgap menor de 2,7 eV, correspondendo a uma absorção de até 450 nm, o que representa uma grande vantagem para processos que utilzam energia solar. Serão realizadas modificações ao nitreto de carbono para a introdução de sítios redutores para conversão de N2 em NH3, incluindo esfoliação, pós-tratamento térmico em atmosfera controlada e "hard-templating".
A configuração do fotorreator é uma característica fundamental para a viabilidade industrial do novo método de produção de NH3. O presente projeto visa o desenvolvimento de novas configurações de fotorreatores multifuncionais para produção de NH3 projetadas com ferramentas multifísicas avançadas que combinam Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) e simulação de radiação. Um elemento unitário do reator, será simulado usando ferramentas CFD a fim de otimizar o desempenho fotocatalítico do sistema e parâmetros geométricos. O elemento unitário será repetido em rede para gerar um reator estruturado.
Simulações de hidrodinâmica, transferência de massa, reação química e radiação serão realizadas para obter a melhor configur  |
Resumo
O trabalho de Fritz Haber sobre a fixação do nitrogénio do ar, pelo qual recebeu o Prémio Nobel de Química (concedido em 1919), é uma das contribuições mais importantes para o desenvolvimento do mundo como o conhecemos. Anualmente, c.a. 200 milhões de toneladas de amoníaco são produzidas industrialmente pelo processo de Haber-Bosch, usando N2 (do ar) e H2 (do gás natural). A maior parte deste amoníaco destina-se à produção de fertilizantes, que constitui uma das bases da sociedade moderna sobre a qual assenta a capacidade de alimentar uma população de 7 000 milhões. No entanto, a rota tradicional de produção depende do metano, sendo altamente intensiva no uso de energia e emitindo grandes quantidades de CO2.
O nitreto de carbono grafítico (g-C3N4) tem atraído muita atenção devido à sua semelhança com o grafeno e suas propriedades como semicondutor óptico. Comparado ao TiO2, o g-C3N4 apresenta um bandgap menor de 2,7 eV, correspondendo a uma absorção de até 450 nm, o que representa uma grande vantagem para processos que utilzam energia solar. Serão realizadas modificações ao nitreto de carbono para a introdução de sítios redutores para conversão de N2 em NH3, incluindo esfoliação, pós-tratamento térmico em atmosfera controlada e "hard-templating".
A configuração do fotorreator é uma característica fundamental para a viabilidade industrial do novo método de produção de NH3. O presente projeto visa o desenvolvimento de novas configurações de fotorreatores multifuncionais para produção de NH3 projetadas com ferramentas multifísicas avançadas que combinam Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) e simulação de radiação. Um elemento unitário do reator, será simulado usando ferramentas CFD a fim de otimizar o desempenho fotocatalítico do sistema e parâmetros geométricos. O elemento unitário será repetido em rede para gerar um reator estruturado.
Simulações de hidrodinâmica, transferência de massa, reação química e radiação serão realizadas para obter a melhor configuração da estrutura. Os fotorreatores multifuncionais estruturados projetados com CFD serão desenvolvidos seguindo duas estratégias: o 3DImmobCat no qual materiais de nitreto de carbono são depositados como filmes sobre superfícies 3D micro/mesoestruturadas; e o 3DStructCat onde o catalisador é misturado nas resinas para a fabricação do reator como andaimes estruturados em 3D. Ambas as soluções, 3DImmobCat e 3DStructCat, serão testadas usando tecnologia de fabricação de manufatura aditiva. As estruturas 3DImmobCat otimizadas serão fabricadas com uma impressora de estereolitografia 3D (SLA) e revestidas com fotocatalisadores de nitreto de carbono. Os scaffolds 3DStructCat serão produzidos usando fotocatalisadores de nitreto de carbono como tintas em uma extrusora de Direct Ink Writing (DIW). A produção de NH3 nos reatores fotocatalíticos estruturados será então testada e otimizada para avaliar a máxima conversão e seletividade. Os dados experimentais permitirão a validação das simulações CFD. Por fim, o processo industrial de produção de NH3 com a tecnologia SuN2Fuel será integrado por meio de simuladores de processo. No final do projeto, será apresentada uma estimativa dos custos de implementação desta tecnologia na indústria.
Será dada especial atenção aos custos de investimento para a fabricação dos reatores, considerando AM, técnicas de polimerização reativa (RIM e RTM) ou injeção de termoplásticos. O uso da luz solar para a produção massiva de NH3 para uso como combustível será analisado com a Plafatorma Solar de Almeria e a empresa de consultoria Carbon-Neutral Consulting. O SuN2Fuel avalia experimentalmente a utilização do fluxo de NH3 em células a combustível e utiliza esses resultados na simulação integrada do processo. As tecnologias de remoção de amónia existentes para obter o fluxo de NH3 também são consideradas nos simuladores de processo.
Este é um projeto multidisciplinar, que se beneficia das sinergias geradas por uma equipa com experiência relevante académica e industrial em ciência de materiais, fotocatálise, células a combustível, tecnologias solares e simulação e engenharia de processos. O objetivo final é o desenvolvimento de dois protótipos com configurações diferentes, o 3DImmobCat e o 3DStructCat, que podem ser facilmente implementados como reatores industriais para produção de amoníaco utilizando recursos sustentáveis (água e ar), catalisadores económicos (materiais à base de nitreto de carbono) e fontes de luz energeticamente eficientes (LEDs ou luz solar). |