Modelagem e simulação de reatores de microcanais para a produção fotocatalítica de hidrogênio

Abstract

RESUMO: A decomposição fotocatalítica da água em hidrogênio e oxigênio usando catalisador semicondutor é um método efetivo para converter luz solar em hidrogênio, um combustível limpo e renovável. Apesar dos progressos na fotocatálise, as tecnologias atuais de decomposição da água ainda apresentam baixa eficiência. Os microrreatores apresentam algumas propriedades distintas para fotorreações, como maior homogeneidade na iluminação espacial e melhor penetração da luz através de toda profundidade do reator em comparação aos reatores de larga-escala. Então, visando uma melhor compreensão do fenômeno de produção fotocatalítica de hidrogênio e buscando um aumento de eficiência utilizando reatores de microcanais, o objetivo deste trabalho foi desenvolver modelos matemáticos e simular um reator de microcanais utilizando o programa COMSOL Multiphysics. Foi desenvolvido um modelo matemático para um reator de microcanais considerando o transporte de massa de hidrogênio e o escoamento laminar. Para a produção de hidrogênio foram desenvolvidos quatro modelos cinéticos, considerando que as etapas limitantes são a quebra e formação das ligações envolvendo os átomos de hidrogênio. Depois do ajuste dos parâmetros aos dados experimentais, esses valores foram testados para uma massa de catalisador maior. Todos os modelos apresentaram valores de atividade fotocatalítica superiores aos obtidos experimentalmente, indicando que o sistema estava saturado de fótons, e por isso que com o aumento da massa de catalisador, não houve aumento proporcional na velocidade de reação. Foram também realizados testes variando a vazão e mantendo a irradiância constante. Os modelos que consideram apenas a variação da irradiância resultaram em valores aproximadamente constantes para todas as vazões testadas, seguindo a cinética de pseudo-ordem zero

ABSTRACT: Photocatalytic water splitting to hydrogen and oxygen with semiconductor catalyst is an effective method to convert solar light into clean and renewable hydrogen fuel. Although the dvances in photocatalysis, the current technology of water splitting has low efficiency. Microreactors have some distinct proprieties for photoreactions, as large homogeneity of spatial light and better light permeation through all depth of the reactor in comparison with bulk reactors. Then, in order to aim a better understanding of the photocatalytic hydrogen production and an increasing of the efficiency of microchannels reactors, the objective of this work was developing mathematic models and the simulation of microchannels reactors with COMSOL Multiphysics software. It was developed a mathematic model for microchannel reactor considering mass transfer and laminar flow. For hydrogen production it was developed four kinetic models, considering the rate determining steps was bond cleavage and formation involving hydrogen atoms. After the parameter fitting with experimental data, these values were tested for a higher catalyst mass. All models presented higher values of photocatalytic activity than experimental data, indicating that the system was photon saturated, and because of this, the increase of catalyst mass did not resulted in proportional increase of reaction rate. It was conducted tests changing flow rate for a constant light intensity. The models considering Only variation of light intensity resulted in constant values for all flow rates, approaching to the pseudo-zero-order kinetic