Como tirar o metano do gás natural

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Como tirar o metano do gás natural?
Um MOF filtra metano, nitrogênio e dióxido de carbono do gás natural com seletividade recorde sob
condições práticas.
O gás natural é responsável por cerca de 25% do fornecimento global de energia. Tem um tremendo
valor calórico e uma reputação crescente como combustível alternativo com um menor potencial de
aquecimento global do que o carvão e o petróleo. No entanto, o gás natural não é apenas
hidrocarboneto na natureza, é misturado com quantidades significativas de nitrogênio (2N2) e dióxido de
carbono (CO 22), que degrada seu valor de aquecimento.
Se o metano (CH 44) no gás natural pudesse ser separado em alta pureza dos diluentes N 2 e CO 2 em
um processo eficiente em termos de energia e custo, seu valor como combustível seria muito maior.
Embora esta tarefa de purificação pareça direta, acaba por ser cientificamente desafiadora e
tecnologicamente exigente para alcançar por métodos tradicionais de destilação criogênica. Nesta
tecnologia, as espécies gasosas são liquesificadas a alta pressão e a baixa temperatura e separadas
com base nas diferenças em seus pontos de ebulição. Este processo é caro em energia e complexo
para implementar em escala.
Para contornar essas complicações, as diferenças no tamanho e na forma dos CH 4, N 22 e CO 2
podem, em princípio, sermos exploradas literalmente peneirando-as através de poros do tamanho de
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nanômetros de uma membrana cujas dimensões e geometria foram criteriosamente adaptadas através
da química da engenharia de abertura para passar seletivamente N 2 e CO 22, mas o bloco CH 44.
O obstáculo é as semelhanças químicas e físicas de CH 4 a N 2 e CO 2 em relação à sua inérnia,
dimensões moleculares críticas, polarizabilidade e ponto de ebulição, tornando especialmente
complicado o desenvolvimento de um processo de separação de energia e custo-eficiente. O
conhecimento de tamanhos moleculares críticos é fundamental para a compreensão da exclusão
molecular seletiva por poros de diferentes tamanhos e formas.
Embora os conceitos e princípios que sustentam a separação seletiva de misturas gasosas para uma
ampla gama de materiais nanoporosos – carbonos, zeólitas e peneiras moleculares – tenham sido bem
documentados e industrializados em escala, nenhum pode alcançar as métricas de energia e
desempenho econômico necessárias para separar as misturas de CH 4 de N 2 e CO 2.
MOF para o resgate
Esta situação experimentou uma mudança dramática para melhor muito recentemente, com o anúncio
de uma nova classe de materiais de estrutura orgânica de metal (MOF) - o tamanho e a forma de seus
poros em nanoes foram criativamente adaptados para alcançar essa tarefa exigente com fidelidade
requintada.
Esta realização notável foi alcançada em um MOF em que os blocos de construção inorgânicos
baseados em um aglomerado de óxido fcude zircônio foram conectados e montados com dois ligantes
orgânicos muito ligeiramente geométricos: um fumarato (fum) e um mesaconato (mes) em um 2:1 2:1
para formar Zr- fum 67-mes 33-FcuF.
Todo o esquema para atingir esse objetivo é ilustrado na figura abaixo, que mostra como a forma-
mismatch entre CH 4 e N 22, introduzida pela edição de abertura de poros, permite sua separação por
diferenças de forma em escala de moléculas. Idéias semelhantes aplicadas a CH 4 e CO 22.
Pode-se ver que a abertura de poros deste MOF quimicamente adaptado tinha o tamanho e a forma
ideais projetados especificamente para a remoção eficiente do N 2 e CO2 do gás natural. Para ser mais
preciso, a assimetria molecular foi intencionalmente introduzida na abertura do poro do MOF.
Isso foi realizado em Zr- fum 67- mes 33- fcu -MOF através do design criativo de ligação orgânico de tal
forma que bloqueou o transporte difusivo da molécula de CH 4 tetraéreo para a boca dos poros, mas
permitiu que o N 2 linear e o CO 2 infundissem dentro.
https://www.advancedsciencenews.com/holey-tubular-zeolites/
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Ilustrações esquemáticas de edição de abertura de poros e separação induzida por
incompatibilidade com base na diferença de forma. Reproduzido com permissão.
A seletividade de separação alcançada para CH 4 de N 2 e CO 2 provou ser um recorde mundial sob
pressões operacionais práticas, e o sistema era capaz de escalar em extensões industriais.
Uma análise tecnoeconômica mostrou que as membranas fabricadas a partir do MOF tinham o potencial
de reduzir significativamente a intensidade de energia de purificação de CH 4 e os custos em gás natural
para remoção de N 2, bem como a remoção simultânea de N 2 e CO2 em comparação com a destilação
criogênica e uma captura de CO 2 baseada em minas.
Sobre a economia do processo, o MOF melhorou o preço da purificação para as 4separações CH 4 /N 2 /
N 2 /CO 2 em 66% e 73%, respectivamente, em relação à destilação criogênica e à captura de CO 2 à
base de amina.
O que poderia ser mais natural do que essa conquista para o gás natural! A história não termina com o
gás natural, pois essa abordagem racional para a abertura dos poros as membranas MOF editadas pode
ser aplicada a outras misturas de gás binário, incluindo H 2 / CH 4, CO 2 /CH 4, H 2 /N 2 e CO 2 /N 22,
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04763-5
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proporcionando assim um paradigma universal para a criação de peneiras MOF seletivas de alta
fidelidade.
Referência: Mohamed Eddaoudi, et al., Janelas de poros assimétricas em membranas MOF para
valorização de gás natural, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04763-5
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https://www.nature.com/articles/s41586-022-04763-5