Orientador: Daltro Garcia Pinatti

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin

Resumo: O Programa BEM Biomassa - Energia - Materiais é fundamentado na aplicação da ciência e tecnologia de metais refratários para fabricação de reatores químicos para processamento de biomassa. A finalidade do programa é explorar o potencial produtor de biomassa do Brasil, o maior país tropical...

Resumo: O Programa BEM Biomassa - Energia - Materiais é fundamentado na aplicação da ciência e tecnologia de metais refratários para fabricação de reatores químicos para processamento de biomassa. A finalidade do programa é explorar o potencial produtor de biomassa do Brasil, o maior país tropical do planeta, para resolver, de maneira auto-sustentada, dois grandes problemas brasileiros que são a escassez de energia e de matéria-prima para a indústria química. O Programa BEM produz duas "commodities", a Celulignina, um combustível catalítico aplicado para a geração de energia térmica e elétrica, e o Pré-hidrolisado, posteriormente convertido em Furfural, que é precursor de inúmeros produtos químicos. O programa BEM tem como premissa o respeito ao meio ambiente, desenvolvendo processos auto-sustentados, tanto do ponto de vista financeiro, quanto do ponto de vista de recursos naturais e ambientais. A aplicação de carvões ativados tem, então, importância fundamental: carvões ativados são amplamente empregados industrialmente para tratamento da água, efluentes e de emanações gasosas. Carvões ativados especiais, com extremo controle da porosidade a nível molecular, conhecidos como Peneiras Moleculares de Carbono, são empregados na separação de misturas gasosas e possibilitam aumentar o teor de oxigênio do ar atmosférico (tratamento de esgoto, geração de energia por magnetohidrodinâmica - MHD) e a separação do C02 de gás de combustão para posterior compressão, liquefação e comercialização. O CO2 dos gases de combustão de celulignina é quimicamente puro. Esta tese nasceu no contexto do domínio da ciência fundamental destes materiais carbonosos e do aprendizado da tecnologia de fabricação de reatores herméticos de média temperatura e da engenharia de aplicação de plantas de separação de misturas gasosas. É apresentado um novo tratamento baseado no formalismo da química quântica computacional para o estudo de difusão do gases N2, O2 CO2, CO e H2 em peneiras moleculares de carbono. Considera-se um modelo de poro formado por duas superfícies planas paralelas, cada qual constituída por quatro anéis de benzeno condensados, e é calculada a entalpia de formação do sistema poro + gás variando a distância de separação dos planos. Os resultados estão em concordância com resultados experimentais. No processo de pré-hidrólise, o açúcar produzido é expelido da parede celulósica de forma extremamente abrupta: é um processo eruptivo que origina uma macroporosidade nesta parede. A ativação da celulignina com vapor d'água gera carvões ativados com área superficial específica semelhante aos carvões comerciais. Posterior bloqueamento dos poros através da deposição química de vapores provenientes do craqueamento de hidrocarbonetos e nova reativação controlada, resultam em microporosidade seletiva para O2, N2, e C02 em níveis equiparáveis às peneiras moleculares obtidas a partir de carvões minerais. Considerando a simplicidade e baixo custo deste processo, espera-se uma significativa contribuição à tecnologia de separação e purificação de gases

Abstract: The BEM Programme Biomass -Energy -MateriaIs is based on the application of refractory metals science and technology for the manufacturing of chemicals reactors for biomass processing. The subject of the programme is to explore, in a self-sustained way, the potential for biomass production...

Abstract: The BEM Programme Biomass -Energy -MateriaIs is based on the application of refractory metals science and technology for the manufacturing of chemicals reactors for biomass processing. The subject of the programme is to explore, in a self-sustained way, the potential for biomass production of Brazil, the biggest tropical country of planet, in order to solve two big Brazilian problems that are the scarcity of energy supply and raw materials for the chemical industry. The BEM Programme produces two commodities, the Cellulignin, a catalytic fuel used for thermal and electrical energy generation and the Prehydrolysated, further converted into Furfural, a precursor of several chemical products. The Programme has as a premise the respect to the environment with economic rentability .The application of activated carbons is of fundamental importance: activated carbons are industrially used for treatment of water, liquid effluents and gaseous emissions. Special activated carbons with extreme control of porosity at molecular level, the so called Carbon Molecular Sieves, are used in gas mixture separation, allowing an increasing in the oxygen level of atmospheric air (sludge treatment and magnetohydrodynamics -MHD energy generation). They promote the separation of CO2 of combustion gas for compression, liquefaction and commercia1ization. The CO2 coming from the combustion of cellulignin is chemically pure. sis was born in the context of dominating the fundamental science of carbonaceous materials and learning of manufacturing technology of high temperature hermetic reactors and application engineering of gases plants separation. Its is show a new treatment based on the computational quantum chemistry formalism to study the gas diffusion of N2, O2 CO2, CO at carbon molecular sieves. It is taken a porous model formed by two parallel planar surfaces each one consisting of four condesend benzen rings and it is calculated the enthalpy of formation of the system pore + gas varying the distance between the plans. The results are in agreement with the experimental results. In the prehydrolysis, the sugar product is expelled out of the cellulosic wall by an abrupt way like an eruptive process that origines a macroporosity in this wall. The activation with steam generates an activated carbon with a specific superficial area like the commercials carbons. A subsequent bloking of the porous by chemical vapor deposition derivated from the hydrocarbon craking and a new controlled reactivation result in a selective microporosity for O2, N2 and C02, equivalent to the commercial carbon molecular sieves.
Considering the simplicity and low cost of the process it is expected a significant contribution to the technology of gas separation and purification