Dissertação de Mestrado

Na busca por reatores com canais internos otimizados, vislumbrando uma fotocatálise heterogênea de fluxo contínuo, uma etapa inicial de simulação foi necessária. Foram consideradas 24 diferentes combinações de geometrias, simuladas através de CFD (Computational Fluid Dynamics) como canais internos dos reatores, que apontaram informações importantes para cada tipo de design, como capacidade de mistura do fluido e eficiência na conversão de reagentes. Selecionados os 4 modelos com melhor desempenho, foram confeccionados reatores com o material polimérico acrilonitrila butadieno estireno (ABS), através da Fused Deposition Modelling (FDM), uma das técnicas de Manufatura Aditiva. Para viabilizar a reação de fotocatálise, foi preparado um catalisador de óxido de zinco (ZnO), na forma de filme fino, depositado através do método spray pirólise. Para validar de forma experimental os resultados obtidos na simulação, foi montado um sistema para uma reação de degradação fotocatalítica, utilizando solução de paracetamol (ACT) como fluido modelo. Utilizada luz UV-A como fonte de irradiação. Após realizar o mesmo experimento em fase líquida para os 4 diferentes modelos de reator, e analisar as amostras coletadas em um cromatógrafo líquido de alta performance (HPLC), os resultados obtidos foram utilizados para comparar eficiência. Foi escolhida a geometria que apresentou melhor desempenho. Continuando o processo de validação, outro sistema foi montado, dessa vez em fase gasosa, e o experimento foi conduzido somente com o reator cuja geometria interna apresentou maior eficiência. Na entrada do reator foi injetado dióxido de carbono (CO2) e água (H2O), ambos em vapor. Com o mesmo catalisador de ZnO em filme fino, e um simulador solar como fonte de irradiação, o experimento foi realizado ao longo de algumas horas e os produtos da reação foram detectados por um cromatógrafo gasoso. Foram identificados Hidrogênio (síntese acumulada de H2 a uma taxa de 12,8 mol h1 g1), Etanol (0,26 mol h1 g1 de C2H6O), Etano (0,05 mol h1 g1 de C2H6) e Metano (0,23 mol h1 g1 de CH4), e alguns desses produtos podem ser utilizados como combustíveis renováveis.

Searching for reactors with optimized internal channels, considering heterogeneous photocatalysis with continuous flow, an initial stage of simulation was necessary. 24 different combinations of geometries were considered, simulated through CFD (Computational Fluid Dynamics) as internal channels of the reactors, which indicated important information for each type of design, such as fluid mixing capacity and efficiency in reagent conversion. The 4 models with the best performance were selected. All produced with the polymeric material acrylonitrile butadiene styrene (ABS), through Fused Deposition Modeling (FDM), one of the Additive Manufacturing techniques. To enable the photocatalysis reaction, a zinc oxide (ZnO) thin film photocatalyst was prepared, deposited by spray pyrolysis method. To experimentally validate the results obtained in the simulation, a system for a photocatalytic degradation reaction was assembled using paracetamol solution (ACT) as a model fluid. UV-A light was used as the irradiation source. After performing the same experiment in the liquid phase for the 4 different reactor models and analyzing the samples collected in a high-performance liquid chromatograph (HPLC), the results obtained were used to compare efficiency. The geometry that presented the best performance was chosen. Continuing the validation process, another system was assembled, this time in the gas phase, and the experiment was carried out only with the reactor whose internal geometry presented the greatest efficiency. Carbon dioxide (CO2) and water (H2O), both in vapor form, were injected at the reactor inlet. With the same thin-film ZnO catalyst and a solar simulator as the irradiation source, the experiment was performed over a few hours and the reaction products were detected by a gas chromatograph. Hydrogen (cumulative synthesis of H2 at a rate of 12.8 mol h1 g1), Ethanol (0.26 mol h1 g1 of C2H6O), Ethane (0.05 mol h1 g1 of C2H6) and Methane (0.23 mol h1 g1 of CH4) were identified, and some of these products can be used as renewable fuels.