Experimentation and Computational Modeling in the Formation of Hydrates with Applications in Energy and the Environment

Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente KELLY CRISTINE DA SILVEIRA https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 1. Apresentação do tema 2. Hidratos de Gás – Energia 3. Hidratos de Gás – Meio Ambiente 4. Modelagem Computacional – Modelo de difusão 5. Experimentação – Modelo de difusão 6. Em desenvolvimento 1. Aditivos Poliméricos - Síntese 2. Alto Rendimento (HT) 3. Aprendizado de Máquina (ML) 7. Considerações Finais 8. Referências Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira Agenda https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 “GELO QUE QUEIMA” ? 1. Apresentação do tema O que são Hidratos? Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 3 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 O2, H2, N2, CO2, CH4 Fonte: http://www.geomar.de/en/news/article/gashydratforschung-im-suedchinesischen-meer/ ESTRUTURA Estrutura cristalina do GELO Estrutura cristalina do HIDRATO DE GÁS – composto de inclusão 1. Apresentação do tema O que são Hidratos? Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 4 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Bloco básico SLOAN, E. D. Fundamental principles and applications of natural gas hydrates. Nature, v. 426, n. 6964, p. 353-363, 11/20/print 2003. Cp, THF 1. Apresentação do tema O que são Hidratos? Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 5 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Adaptado de HASSANPOURYOUZBAND et al., 2020. Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=SWd_6EaX0Zg Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=A12AEInRYTc 1. Apresentação do tema O que são Hidratos? Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 6 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Pressão x Temperatura Curva de equilíbrio → dados da dissociação Clennell, M. B. Hidrato de gás submarino: natureza, ocorrência e perspectivas para exploração na margem continental brasileira. Revista Brasileira de Geofísica. V. 18, 3 (2000) p. 397-409 1. Apresentação do tema Como são formados? Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 7 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 SUM, A. K.; KOH, C. A.; SLOAN, E. D. Clathrate Hydrates: From Laboratory Science to Engineering Practice. Industrial & Engineering Chemistry Research, v. 48, n. 16, p. 7457-7465, 2009. Conversão da gota de água em hidrato 1. Apresentação do tema Como são formados? Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 8 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Permafrost – Solo do Ártico Fonte: https://www.usgs.gov/centers/whcmsc/science/gas-hydrates-energy Sibéria Fonte: https://news.uaf.edu/esas2013/ sistemas marinhos de águas profundas 1. Apresentação do tema Onde são encontrados? Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 9 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 CO2 x CH4 •Captura e armazenamento de CO2 (Efeito estufa) •Recuperação Energética KUMAR, A.; BHATTACHARJEE, G.; KULKARNI, B. D.; KUMAR, R. Role of Surfactants in Promoting Gas Hydrate Formation. Industrial & Engineering Chemistry Research,54, n. 49, p. 12217-12232, 2015. 3. Hidratos – Meio Ambiente Sustentabilidade Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 16 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 •Dessalinização CHA, J.H. and SEOL, Y. Increasing gas hydrate formation temperature for desalination of high salinity produced water with secondary guests. ACS Sustainable Chemistry & Engineering,1(10), pp.1218-1224. 2013. 3. Hidratos – Meio Ambiente Sustentabilidade Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 17 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Dessalinização Pellets de HG 3. Hidratos – Meio Ambiente Sustentabilidade Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 18 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Aplicação industrial das diferentes tecnologias tem sido prejudicada por alguns problemas: 3. Hidratos – Meio Ambiente Sustentabilidade Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira Redução de custos Conversão máxima da água a hidrato Redução no tempo de indução Otimização da capacidade de armazenamento Controle do processo de formação/dissociação água intersticial não reagida; taxas de formação lenta → Confiabilidade do processo 19 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Promotores de hidratos 3. Hidratos – Meio Ambiente Sustentabilidade Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira Controle das propriedades Maximizar a aplicabilidade Para sanar esses problemas? 20 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Formação/Estabilização 3. Hidratos – Meio Ambiente Promotores Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 21 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Formação/Estabilização 3. Hidratos – Meio Ambiente Promotores Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira Ação: -Reduz a tensão superficial, aumentando a transferência de massa; -Aumenta a conversão de água em hidrato. Dodecil Sulfato de Sódio (SDS) 22 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 •Avaliação de Promotores Ecológicos de HG •Desenvolvimento de protocolo experimental •Estudo da Formação de Hidratos a partir do Modelo de Vlasov - difusão Atividades Desenvolvidas LEMec/IPRJ/UERJ Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 23 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Fluxograma representativo do script registrado no Instituto Nacional da Propriedade Industrial 4. Modelagem Computacional Modelo de difusão Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 24 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Ferreira Filho, I. R., da Silveira, K. C., & Silva Neto, A. J. (2021). Tecnologia de Hidrato de Gás: Modelagem Computacional para a Etapa de Crescimento do Hidrato. VETOR - Revista De Ciências Exatas E Engenharias, 31(1), 23–42. https://doi.org/10.14295/vetor.v31i1.13164 FERREIRA FILHO, I. R. ; DA SILVEIRA, KELLY CRISTINE ; Barreira, M.R. ; BARROS, Y. T. ; SILVA NETO, ANTÔNIO JOSÉ . Patente: Programa de Computador. Número do registro: BR512021001440-5, data de registro: 28/06/2021, título: "HFm-IPRJ: Código Computacional para Simulação da Fase de Crescimento na Formação de Hidratos de Gás baseado em Modelo Difusivo de Vlasov" , Instituição de registro: INPI - Instituto Nacional da Propriedade Industrial. Esquema representativo da fase de crescimento do hidrato de metano. “núcleo-encolhendo” (“shrinking-core”) Etapa de crescimento do hidrato de metano, na superfície de uma única esfera de pó de gelo. O ambiente é rico em gás metano, sob pressão e temperatura constantes, porém, com pressão superior àquela de equilíbrio da fase metano-gelo-hidrato. 4. Modelagem Computacional Modelo de difusão Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira Fonte: Adaptado de VLASOV, 2016. 25 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Ferreira Filho, I. R., da Silveira, K. C., & Silva Neto, A. J. (2021). Tecnologia de Hidrato de Gás: Modelagem Computacional para a Etapa de Crescimento do Hidrato. VETOR - Revista De Ciências Exatas E Engenharias, 31(1), 23–42. https://doi.org/10.14295/vetor.v31i1.13164 Aplicativo para controle de velocidade do aparato Protótipo I –Aparato experimental 5. Experimentação Modelo de difusão Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 32 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 DA SILVEIRA, KELLY CRISTINE; SA, P. V. M. ; GOMES, C. C. ; Bucsky, C.H. ; MOREIRA, A. C. F. ; SILVA NETO, ANTÔNIO JOSÉ . Patente: Privilégio de Inovação. Número do registro: BR1020210155930, título: "APARATO EXPERIMENTAL PORTÁTIL PARA TRIAGEM DE ADITIVOS EMPREGADOS PARA FORMAÇÃO OU INIBIÇÃOCINÉTICA DE HIDRATOS DE CICLOPENTANO" , Instituição de registro: INPI - Instituto Nacional da Propriedade Industrial. Depósito: 06/08/2021Instituição(ões) financiadora(s): CNPq; FAPERJ Data da Publicação: 07/02/2023. GOMES, C. C. ; Da Silveira, K. C. ; SILVA NETO, ANTÔNIO JOSÉ . Aplicativo para controle de agitação magnética empregada em aparato de avaliação de aditivos durante a formação de hidratos de ciclopentano. 2019. Patente: Programa de Computador. Número do registro: BR512019001296-8, data de registro: 24/06/2019, título: "Aplicativo para controle de agitação magnética empregada em aparato de avaliação de aditivos durante a formação de hidratos de ciclopentano" , Instituição de registro: INPI - Instituto Nacional da Propriedade Industrial. Figura - Esquematização do processo de formação de pó de gelo esférico desenvolvido para este estudo. A) Adição de água destilada ao aerógrafo. B) Aplicação do spray d`água na superfície superhidrofóbica e as gotas esféricas de água formadas Figura - Partícula de gelo esférico na superfície têxtil hidrofóbica (40x) 5. Experimentação Modelo de difusão Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 33 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Figura - (a) Comparação dos resultados da simulação com dados experimentais (Ferreira Filho et al., 2021). (b) Imagens da formação do hidrato de ciclopentano na presença do promotor ecológico derivado de resíduos têxteis, obtidas na UDT/LEMec. t [min] (a) (b) ti= 0 tf= 30 5. Experimentação Modelo de difusão Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 34 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 6. Em desenvolvimento PDR10 Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira Novos Promotores Poliméricos Síntese Aprendizado de máquina (ML) Otimização Alto rendimento (HT) Triagem 35 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Esquema reacional DA SILVEIRA, K.C. Síntese e caracterização de polímeros à base de poliacrilamida e avaliação em processo de inibição cinética de hidratos de gás. Tese de Doutorado. PPG - Ciência e Tecnologia de Polímeros. IMA/UFRJ. 2016. Ação do Promotor: 1. Reduz a tensão superficial, aumentando a transferência de massa; 2. Favorecendo a nucleação heterogênea, redução do tempo de indução 6. Em desenvolvimento Aditivos Poliméricos Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 36 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 DA SILVEIRA, KELLY CRISTINE; SHENG, QI ; TIAN, WENDY ; FONG, CELESTA ; MAEDA, NOBUO ; LUCAS, ELIZABETE FERNANDES ; WOOD, COLIN D. . High throughput synthesis and characterization of PNIPAM-based kinetic hydrate inhibitors. FUEL, v. 188, p. 522-529, 2017. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.10.075 DA SILVEIRA, KELLY CRISTINE; SHENG, QI ; TIAN, WENDY ; FERNANDES LUCAS, ELIZABETE ; WOOD, COLIN D. . Libraries of modified polyacrylamides using post-synthetic modification. Journal of Applied Polymer Science (Print), v. 132, p. n/a-n/a, 2015. https://doi.org/10.1002/app.42797 Conceito de alta tecnologia para acelerar o processo de descoberta de potenciais materiais, permitindo a síntese ou triagem rápida e eficiente de grandes bibliotecas de novos compostos. - Síntese - Técnica de avaliação (triagem) 6. Em desenvolvimento Alto rendimento Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira Abordagens em química combinatória ou experimentação paralela ou experimentação/métodos em alto rendimento Matsubara, M., Suzumura, A., Ohba, N. et al. Identifying superionic conductors by materials informatics and high-throughput synthesis. Commun Mater 1, 5 (2020). 37 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Kumar, J., Li, Q., & Jun, Y. (2019). Challenges and opportunities of polymer design with machine learning and high throughput experimentation. MRS Communications, 9(2), 537-544. doi:10.1557/mrc.2019.54 6. Em desenvolvimento Aprendizado de máquina Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira 38 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Considerações Finais Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira Reciclagem de Resíduos Têxteis Aplicações sustentáveis Desenvolvimento de novos materiais (poliméricos) Processos de Avaliação Econômicos Ganhos desta Linha de Pesquisa? 39 https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Referências Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira https://doi.org/10.5281/zenodo.17703617 Referências Experimentação e Modelagem Computacional na Formação de Hidratos com Aplicações em Energia e Meio Ambiente Kelly Cristine da Silveira