Fibra de carbono porosa:permeável, adsortiva e condutiva

A nova fibra de carbono porosa de Toray (canto superior esquerdo, mostrando o eixo central oco) apresenta uma estrutura de poro em escala nanométrica ou micro controlável em toda a fibra (canto superior direito). Essa estrutura porosa ajuda a tornar o material um meio de filtração eficaz que pode ser útil como estrutura de suporte de membranas de separação de gás. Como o carbono também tem propriedades de adsorção bem conhecidas (para filtração química e também física) e é um condutor térmico e elétrico eficaz, a fibra de carbono porosa também pode encontrar uso em sistemas de bateria avançados e transportadores de catalisador usados ​​em processamento químico. Fonte | Toray Industries Inc.

Em meados de novembro de 2019, a Toray Industries Inc. (Tóquio, Japão) anunciou que havia desenvolvido a primeira fibra de carbono porosa do mundo com uma estrutura de poros contínua em nano e / ou microescala, que espera comercializar nos próximos cinco anos . Especificamente, uma aplicação potencial para o produto é o uso em tecnologia de separação de gás, empregada por uma variedade de indústrias para separar dióxido de carbono (CO ₂ ), biogás, hidrogênio e outros gases.

Toray relata que as abordagens convencionais pois a separação de gás ocorre em grandes instalações que, por sua vez, usam muita energia e produzem CO significativo ₂ emissões. Uma abordagem mais nova e ambientalmente sustentável para separação de gás emprega membranas nanoporosas para filtração de gás que usa significativamente menos energia. No entanto, apesar de se mostrar promissor, Toray diz que até o momento esse método carecia da eficiência e durabilidade necessárias para uso em larga escala e longo prazo.

De acordo com a empresa, o novo produto de fibra de carbono porosa da Toray pode ajudar a resolver esse problema - com potencial para uso na produção de hidrogênio para células a combustível - ao aprimorar o desempenho das atuais membranas de separação de gás, tornando as membranas mais finas, mais leves, mais compactas e mais capazes para suportar calor, pressão e produtos químicos.

Meio de filtração poroso

Meios de filtração nano e microporosos não são novos. Um punhado de polímeros - a maioria deles termoplásticos - é usado para produzir membranas planas nanoporosas e também fibras nanoporosas. As aplicações típicas incluem filtros de água de alto desempenho (para água industrial e potável); filtragem de bebidas e alimentos (para melhorar a cor, o odor ou o sabor); filtros médicos (para separação de sangue (aférese) e filtração de sangue (diálise)); bem como separação de gás industrial (para uma ampla gama de indústrias e processos, incluindo produtos químicos e petroquímicos, energia, mineração, siderurgia, medicina, produção de fertilizantes, proteção ambiental, eletrônica e aeroespacial).

Os polímeros mais comuns usados ​​para aplicações de filtração de alto desempenho incluem polietersulfona (PES), polissulfona (PSU), fluoreto de polivinilideno (PVDF), politetrafluoroetileno (PTFE) e acetato de celulose (CA). Para as condições de filtração mais exigentes - como altas ou baixas temperaturas, produtos químicos agressivos ou aplicações com altos níveis de sólidos - cerâmicas (como óxido de alumínio) e metais (como dióxido de titânio e aço inoxidável) também são usadas.

Dependendo das necessidades da aplicação, os meios de filtração podem ser produzidos em vários níveis distintos de porosidade com tamanhos de poros da ordem de 0,1 micrômetro para microfiltração, 0,01 micrômetro para ultrafiltração, 0,001 micrômetro para nanofiltração e 0,0001 micrômetro para osmose reversa.

Para meios de filtração de alto desempenho, os requisitos técnicos críticos incluem:boa e ampla resistência química, não apenas aos materiais que estão sendo separados, mas também ao hipoclorito de sódio, um agente desinfetante comum usado para limpar membranas; boa resistência mecânica, visto que muitos filtros aplicam altas pressões para forçar a separação de sólidos, líquidos e gases; permeabilidade, para fornecer a função de filtração; e baixo nível de incrustação, para que as membranas possam ser mantidas limpas para uma operação eficiente, funcional e de longo prazo.

Fibra de carbono porosa

O fato de a fibra de carbono poder ser usada como meio de filtração nanoporoso é atraente de várias maneiras. Primeiro, o carvão ativado - uma forma de carvão com um pequeno volume de orifícios minúsculos usados ​​para aumentar a área de superfície disponível para adsorção e / ou reações químicas - há muito tempo é usado como um componente em uma variedade de sistemas de filtração de baixo desempenho. Com o amplo suprimento de carbono atômico de orbitais vazios e área de superfície aumentada de carvão ativado, o material pode ser um meio eficaz para prender e ligar (adsorver) uma variedade de substâncias ativas. Infelizmente, uma vez que o carvão ativado é essencialmente sólido, sua função de permeação é principalmente confinada à superfície do substrato, e sua função de filtração é principalmente física (não química), o que limita os tipos e tamanhos de substâncias que podem ser efetivamente separados.

No caso da fibra de carbono porosa de Toray - ou pós produzidos a partir da trituração de tal fibra - os poros são contínuos em toda a estrutura, o que significa que os produtos feitos do material devem ser capazes de filtrar tanto física quanto quimicamente. Ao alavancar as propriedades de adsorção do carbono atômico, a fibra de carbono nanoporosa pode provar ser útil para materiais de eletrodo e transportadores de catalisador em baterias de alto desempenho. Além do mais, o carbono em todas as suas formas sólidas é um bom condutor térmico e também um bom condutor elétrico - recursos que podem ser úteis em certas aplicações.

Toray relata que tanto o tamanho do poro (micro a nano-níveis) e a forma do poro em seção transversal são controláveis ​​em seu produto, independentemente de criarem uma fibra porosa "sólida" ou uma fibra porosa oca (com um eixo central ao longo do comprimento de a fibra). Até agora, Toray foi capaz de criar poros “grandes” e “pequenos” (embora nenhuma especificação sobre o tamanho real dos poros tenha sido fornecida). Como a fibra de carbono já foi carbonizada e grafitada, ela é quimicamente estável e muito rígida e forte - propriedades que também podem ser aproveitadas na produção de membranas de separação de gás mais fortes e compactas.

Alegadamente, a empresa utilizou três áreas internas de especialização para desenvolver o novo produto:polímeros, fibra de carbono e tecnologias de membrana de separação / filtração de água.

Em 11 de dezembro de 2019, Toray realizou uma cerimônia de inauguração de seu novo Centro de Inovação de P&D para o Futuro. As instalações de dois prédios, nas instalações da fábrica de Shiga da empresa em Otsu, Japão, onde a empresa iniciou suas operações em 1926, servirá como sede global para uma série de iniciativas estratégicas, incluindo fibra de carbono porosa, envolvendo instituições acadêmicas e a indústria parceiros de diversos campos. Toray relata que a empresa já está colaborando com vários parceiros para melhor aproveitar a experiência de cada organização para impulsionar a comercialização de membranas de separação de gás avançadas para apoiar métodos econômicos e ecológicos para purificação de gás natural e biogás e produção de hidrogênio para células de combustível que alimentam veículos elétricos e edifícios. Essa equipe afirma ter desenvolvido um conceito para um novo tipo de membrana de separação de gases que será mais resistente ao calor, produtos químicos e pressões. Combinando a fibra de carbono porosa de Toray como camada de suporte e tecnologia parceira para as camadas de separação de gás, o sistema de quatro camadas proposto deve ser capaz de separar e purificar o gás natural (camada A), biogás (camada B), hidrogênio (camada C ) e propileno (camada D).

A empresa também relata que está continuando a pesquisa neste novo material para promover a reciclagem de carbono, explorar a produção de energia de hidrogênio e reduzir a pegada ambiental da indústria. É um braço da Visão de Sustentabilidade do Grupo Toray para ajudar a materializar economias de baixo carbono até 2050 por meio de contribuições para questões ambientais, de gestão de recursos e energia.