Nesta tese produziram-se nove novos materiais compósitos de ZIF-8, uma rede organometálica porosa (MOF), impregnado com diferentes líquidos iónicos (ILs). Estes novos compósitos, designados genericamente por IL@ZIF-8, foram preparados e caracterizados com o objetivo de serem considerados potenciais adsorventes a aplicar em processos de separação por adsorção, tais como o upgrading ou condicionamento de biogás a biometano.
Numa primeira fase, a mesma quantidade molar de nove ILs diferentes foi incorporada na estrutura do ZIF-8, garantindo uma comparação válida entre as amostras. O efeito da incorporação do IL na capacidade de adsorção dos materiais compósitos foi estudado, bem como a influência do catião e do anião do IL na capacidade de adsorção de CO2 (dióxido de carbono) e CH4 (metano) e respetivo efeito na seletividade ideal CO2/CH4.
A caracterização textural exaustiva a cada material compósito foi feita com recurso a picnometria de He, adsorção-dessorção de N2 a 77 K, difração de raios-X de pó (PXRD), espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR) e microscopia eletrónica de varrimento (SEM).
Os resultados de equilíbrio de adsorção-dessorção de CO2 e CH4 nos compósitos mostram que o catião imidazólio com uma curta cadeia alquílica favorece a capacidade de adsorção para estes materiais. No entanto, quem tem um papel mais ativo de adsorção de gás é o anião e o melhor daqueles que foi testado é o acetato.
Em termos de seletividade ideal CO2/CH4, em traços gerais, as amostras que capturaram menos gás são as mais seletivas. O compósito C10@ZIF-8 é o material mais seletivo entre 1 e 3 bar; de 4 a 16 bar, C2OH@ZIF-8 é o material mais seletivo, com ganhos médios de quase 25% na seletividade em comparação com o ZIF-8 puro. O compósito C6B(CN)4@ZIF-8 apresenta boa capacidade de adsorção de gás, tendo ao mesmo tempo uma boa seletividade CO2/CH4. O efeito da quantidade de IL impregnada (loading) foi também estudado. Novas amostras C2OH@ZIF-8 e C6B(CN)4@ZIF-8 foram produzidas com diferentes loadings e caraterizadas com as mesmas técnicas anteriormente mencionadas. Os resultados obtidos de equilíbrio de adsorção para estas amostras foram inconclusivos.
Este trabalho abre assim as portas para um campo de investigação de novos materiais com resultados potencialmente interessantes em aplicações de adsorção, dada a multitude de ILs e MOFs existentes.For this thesis nine new composite materials of ZIF-8, a porous organometallic network (MOF), impregnated with different ionic liquids (ILs) were produced. These new composites, generically named IL@ZIF-8, were prepared and characterized with the purpose of studying their potential use as adsorbents in adsorption separation processes such as biogas upgrading or biogas to biomethane conditioning.
Firstly, the same molar amount of nine different ILs was incorporated in ZIF-8 structure, assuring a valid comparison among samples. IL impregnation effect on the adsorption capacity of the composite materials was studied, as well as the influence of the cation and anion of the IL on the adsorption capacity of CO2 (carbon dioxide) and CH4 (methane) and respective effect on ideal CO2/CH4 selectivity.
An exhaustive textural characterization was performed for every composite, such as He pycnometry, N2 adsorption-desorption at 77 K, Powder X-Ray Diffraction (PXRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) and Scanning Electron Microscopy (SEM).
CO2 and CH4 adsorption-desorption equilibria results indicate that the imidazolium cation with shorter alkyl chains favours the adsorption capacity for these materials. However, it is the anion that has the key role in adsorption capacity; of all tested, the best one was acetate.
Generally speaking, CO2/CH4 ideal selectivities show that samples with less adsorption capacity are the most selective. C10@ZIF-8 composite is the most selective material between 1 and 3 bar; from 4 to 16 bar, C2OH@ZIF-8 is the most selective material, with average gains of almost 25% in selectivity when compared to pristine ZIF-8. C6B(CN)4@ZIF-8 presents good gas adsorption capacity, while at the same time showing good ideal CO2/CH4 selectivity.
IL loading effect was also tested, with new C2OH@ZIF-8 and C6B(CN)4@ZIF-8 samples with different loadings being manufactured and texturally characterized by the above-mentioned techniques. Adsorption equilibria results for these new samples were inconclusive.
This thesis opens new possibilities for the manufacture of good and selective adsorbent materials for adsorption applications, given the amount of existing MOFs and ILs
