Modelando a capacidade de separação de CO2 de poli(4

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8812 (2023) Cite este artigo

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As membranas são uma tecnologia potencial para reduzir o consumo de energia, bem como os desafios ambientais, considerando os processos de separação. Uma nova classe desta tecnologia, chamada membrana de matriz mista (MMM), pode ser fabricada pela dispersão de substâncias sólidas em um meio polimérico. Desta forma, os MMMs à base de poli(4-metil-1-penteno) têm atraído grande atenção para a captura de dióxido de carbono (CO2), que é um poluente ambiental com efeito estufa. A permeabilidade ao CO2 em diferentes MMMs constituídos de poli(4-metil-1-penteno) (PMP) e nanopartículas foi amplamente analisada do ponto de vista experimental. Além disso, um modelo matemático direto é necessário para calcular a permeabilidade do CO2 antes de construir o processo de separação baseado em PMP relacionado. Assim, o presente estudo emprega redes neurais artificiais multicamadas perceptron (MLP-ANN) para relacionar a permeabilidade ao CO2 em MMMs PMP/nanopartículas com a composição da membrana (tipo de aditivo e dose) e pressão. Consequentemente, o efeito dessas variáveis ​​independentes na permeabilidade ao CO2 em membranas baseadas em PMP é explorado usando análise de regressão linear múltipla. Descobriu-se que a permeabilidade ao CO2 tem relação direta com todas as variáveis ​​independentes, enquanto a dose de nanopartículas é a mais forte. As características estruturais do MLP-ANN demonstraram com eficiência um potencial atraente para alcançar a previsão mais precisa da permeabilidade ao CO2. Uma MLP-ANN de duas camadas com a topologia 3-8-1 treinada pelo algoritmo de regulação bayesiana é identificada como o melhor modelo para o problema considerado. Este modelo simula 112 permeabilidade de CO2 medida experimentalmente em PMP/ZnO, PMP/Al2O3, PMP/TiO2 e PMP/TiO2-NT com um excelente desvio relativo médio absoluto (AARD) inferior a 5,5%, erro absoluto médio (MAE) de 6,87 e coeficiente de correlação (R) superior a 0,99470. Verificou-se que a membrana de matriz mista constituída de PMP e TiO2-NT (nanotubo funcionalizado com dióxido de titânio) é o melhor meio para separação de CO2.

Recentemente, a captura e o sequestro de CO2 (dióxido de carbono)1,2 como uma ferramenta prática contra o aquecimento global e as mudanças climáticas têm recebido interesse significativo. Segundo a literatura, a concentração de CO2 na atmosfera desde a era pré-industrial até agora aumentou drasticamente de 280 para 420 ppm, enquanto seu valor máximo permitido é de 350 ppm3,4. Por outro lado, estima-se que a concentração de CO2 na atmosfera chegará a 570 ppm no nível atual de elevação no final do século XXI5. Com base nisso, vários acordos são estabelecidos para reduzir as emissões de CO2 até 2050, com foco na implantação de estratégias de captura e armazenamento de carbono (CCS)6. Para tanto, diferentes tecnologias, como absorção7, adsorção8,9, criogênica10 e membranas11, têm sido propostas. No entanto, a absorção como a tecnologia mais madura possui algumas desvantagens sérias, incluindo corrosão do equipamento12, efeitos colaterais ambientais13 e custo14. Criogênica como outra tecnologia madura consome alta energia15. Além disso, a introdução de um adsorvente estável em água com alta seletividade e capacidade de carga, bem como calor adequado de adsorção e custo razoável para aplicação em larga escala ainda é um sério desafio7,16,17. Assim, a tecnologia de membrana por ser ecologicamente correta, eficiente, flexível, de custo, maturidade e simples é considerada uma das estratégias interessantes para separação de gases18 e monitoramento de poluição19. A captura e o sequestro de CO2 não são apenas cruciais para aplicações de pós-combustão relacionadas a gás de combustão para separação de CO2/N2, mas também são necessários para processos de pré-combustão para o desenvolvimento de fontes renováveis ​​de energia, incluindo atualização de biogás20 e adoçamento de gás natural para separação de CO2/CH421 . O dióxido de carbono recuperado também pode ser usado como matéria-prima para sintetizar produtos químicos de valor agregado22.