Fibra de carbono porosa ultrapermeável: Adsorção e condutividade excepcionais

A nova fibra de carbono porosa da Toray (canto superior esquerdo, mostrando eixo central oco) apresenta uma estrutura de poros nano- ou microescala controlável por toda a fibra (canto superior direito). Essa estrutura porosa torna o material um meio de filtração eficaz, podendo ser útil como estrutura de suporte de membranas de separação de gases. Como o carbono também tem propriedades de adsorção conhecidas (para filtração química e física) e é condutor térmico e elétrico eficaz, a fibra de carbono porosa também pode encontrar uso em sistemas avançados de baterias e transportadores de catalisadores no processamento químico. Fonte | Toray Industries Inc.

Primeira fibra de carbono porosa com estrutura de poros contínua nano/microescala

Em meados de novembro de 2019, a Toray Industries Inc. (Tóquio, Japão) anunciou ter desenvolvido a primeira fibra de carbono porosa do mundo com estrutura de poros contínua em nano- e/ou microescala, visando comercialização nos próximos cinco anos. Uma aplicação potencial é uso em tecnologia de separação de gases, empregada por várias indústrias para separar dióxido de carbono (CO₂), biogás, hidrogênio e outros gases.

A Toray relata que abordagens convencionais para separação de gases ocorrem em grandes instalações que consomem muita energia e produzem emissões significativas de CO₂. Uma abordagem mais sustentável emprega membranas nanoporosas para filtração de gás que usam significativamente menos energia. No entanto, apesar da promessa, a Toray diz que até agora este método carecia da eficiência e durabilidade necessárias para uso em larga escala e longo prazo.

Segundo a empresa, o novo produto de fibra de carbono porosa da Toray poderia resolver esse problema — com potencial para uso em produção de hidrogênio para células de combustível — melhorando o desempenho de membranas atuais de separação de gases, tornando-as mais finas, leves, compactas e capazes de suportar calor, pressão e químicos.

Meios de filtração porosos

Meios de filtração nano e microporosos não são novos. Alguns polímeros — a maioria termoplásticos — são usados para produzir membranas planas nanoporosas e fibras nanoporosas. Aplicações típicas incluem: filtros de água de alto desempenho (industrial e potável); filtração de bebidas e alimentos (melhorar cor, odor, sabor); filtros médicos (separação de sangue - aferese, filtração - diálise); separação industrial de gases (ampla gama de indústrias: químicos, petroquímicos, energia, mineração, siderurgia, médico, fertilizantes, proteção ambiental, eletrônicos, aeroespacial).

Os polímeros mais comuns para filtração de alto desempenho incluem: polietersulfona (PES), polissulfona (PSU), fluoreto de polivinilideno (PVDF), politetrafluoretileno (PTFE) e acetato de celulose (CA). Para condições mais exigentes — temperaturas extremas, químicos agressivos, altos níveis de sólidos — cerâmicas (óxido de alumínio) e metais (dióxido de titânio, aço inoxidável) também são usados.

Dependendo da aplicação, meios de filtração podem ser produzidos em vários níveis de porosidade com tamanhos de poro na ordem de: 0,1 µm (microfiltração), 0,01 µm (ultrafiltração), 0,001 µm (nanofiltração) e 0,0001 µm (osmose reversa).

Requisitos técnicos críticos para meios de filtração de alto desempenho incluem: boa e ampla resistência química (aos materiais separados e a hipoclorito de sódio, agente desinfetante comum); boa resistência mecânica (muitos filtros aplicam altas pressões); permeabilidade; e baixa incrustação (fouling) para operação eficiente a longo prazo.

Fibra de carbono porosa: vantagens únicas

O uso de fibra de carbono como meio de filtração nanoporosa é atraente de várias formas. Primeiro, carvão ativado — forma de carbono com pequeno volume de minúsculos orifícios para aumentar área de superfície para adsorção/reações químicas — já é usado em sistemas de filtração de menor desempenho. Com orbitais vazios abundantes do carbono atômico e área de superfície aumentada do carvão ativado, o material pode efetivamente prender e ligar (adsorver) várias substâncias ativas. Infelizmente, como o carvão ativado é essencialmente sólido, sua função de permeação fica confinada à superfície do substrato, e sua filtração é principalmente física (não química), limitando tipos e tamanhos de substâncias separáveis.

No caso da fibra de carbono porosa da Toray — ou pós produzidos da moagem de tal fibra — os poros são contínuos por toda a estrutura, significando que produtos feitos do material devem conseguir filtrar tanto física quanto quimicamente. Aproveitando as propriedades de adsorção do carbono atômico, a fibra de carbono nanoporosa pode provar útil para materiais de eletrodos e transportadores de catalisadores em baterias de alto desempenho. Além disso, o carbono em todas suas formas sólidas é bom condutor térmico e elétrico — características úteis em certas aplicações.

A Toray relata que tanto o tamanho do poro (micro a nano) quanto a forma transversal do poro são controláveis independentemente de criarem uma fibra porosa "sólida" ou fibra porosa oca (com eixo central ao longo do comprimento). Até agora, a Toray conseguiu criar poros "grandes" e "pequenos" (sem especificações de tamanhos reais). Como a fibra de carbono já foi carbonizada e grafitada, é quimicamente estável, muito rígida e forte — propriedades também aproveitáveis na produção de membranas de separação de gases mais fortes e compactas.

Segundo a empresa, baseou-se em três áreas de expertise interna: polímeros, fibra de carbono e tecnologias de membrana de separação/filtração de água.

Centro de Inovação P&D para o Futuro e colaborações

Em 11 de dezembro de 2019, a Toray inaugurou seu novo Centro de Inovação P&D para o Futuro em sua planta de Shiga em Otsu, Japão (onde começou operações em 1926). A instalação de dois prédios servirá como sede global para iniciativas estratégicas, incluindo fibra de carbono porosa, envolvendo instituições acadêmicas e parceiros industriais de diversos campos. A Toray já colabora com vários parceiros para alavancar expertise de cada organização e impulsionar a comercialização de membranas avançadas de separação de gases para métodos econômicos e ecológicos de purificação de gás natural e biogás e produção de hidrogênio para células de combustível que alimentam veículos elétricos e edifícios. A equipe desenvolveu conceito para novo tipo de membrana de separação de gases mais resistente a calor, químicos e pressões. Combinando a fibra de carbono porosa da Toray como camada de suporte e tecnologia de parceiros para camadas de separação, o sistema proposto de quatro camadas deve separar e purificar: gás natural (camada A), biogás (B), hidrogênio (C) e propileno (D).

A empresa também continua pesquisa neste material para fomentar reciclagem de carbono, produção de energia de hidrogênio e reduzir pegada ambiental da indústria. É um braço da Visão de Sustentabilidade do Grupo Toray para ajudar a materializar economias de baixo carbono até 2050 através de contribuições a questões ambientais, gestão de recursos e energia.