DESENVOLVIMENTO DE CATALISADORES À BASE

DE ÓXIDOS MISTOS PARA A DECOMPOSIÇÃO DO

MONOPROPELENTE PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO

Luís Gustavo Ferroni Pereira

Orientador: Dr. Ricardo Vieira

São José dos Campos, 05 de dezembro de 2013

Aplicações

-Localização e posicionamento global;

- Detecção de incêndio e explosões nucleares;

- Telecomunicações;

- Previsões meteorológicas;

- Previsão de safras.

“Satélites artificiais são veículos espaciais colocados na órbita da Terra

e que promovem, continuamente, a aquisição de dados relacionados às

propriedades primárias dos objetos.”

Introdução

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Controle de atitude dos satélites

- Usado no posicionamento e correção da órbita dos satélites;

- Permitem o ajuste do campo de visada dos satélites;

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-Sensores;

-Propulsores;

- Algorítmo.

Sistema de controle de

atitude dos satélites

Satélite geoestacionário

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“Monopropelentes são substâncias que se decompõem quando

aquecidas, pressurizadas ou quando submetidas ao contato com um

catalisador, gerando grande quantidade de gases a altas

temperaturas.”

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Sistemas propulsivos a monopropelente

(MAKLED; BELAL, 2009)

- Monopropelente mais utilizado atualmente;

- O catalisador utilizado é o Shell 405 (36% Ir/Al2O3).

ou

3N2H4(l) N2(g) + 4NH3(g)

3N2H4(l) 3N2(g) + 6H2(g)

catalisador

catalisador

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-É um monopropelente extremamente caro e altamente tóxico

(carcinogênico);

Hidrazina

2H2O2(l) 2H2O(v) + O2(g)

catalisador

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- É um dos mais importantes candidatos para a aplicação em

sistemas propulsivos limpos e de baixo custo;

- Foi muito estudado pela NASA na década de 60 mas perdeu

espaço para a hidrazina com o desenvolvimento do catalisador Shell

405.

Peróxido de Hidrogênio

Hidrazina vs Peróxido de Hidrogênio

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* Orçamento da Sigma Aldrich

Características Hidrazina Peróxido de Hidrogênio

Custo* US$1010,00/kg US$90,00/kg

Toxidade Cancerígena e

mutagênica Produto não tóxico

Impulso Específico 140s 106s

Densidade de Impulso 141s.g/cm3 148s.g/cm3

Armazenagem Superior a 15 anos Superior a 15 anos

Catalisador tradicional

- Telas de prata sobrepostas;

- Ponto de fusão ~962°C;

- Óxidos de prata são menos ativos que a prata metálica.

Catalisadores suportados

- Pt/Al2O3, Ir/Al2O3, MnO2/Al2O3;

- Desativação pela oxidação da fase ativa;

- Perda da fase ativa por arraste.

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Catalisadores para H2O2

Catalisadores mássicos

- Constituídos exclusivamente do material cataliticamente ativo;

- Quase toda a superfície do material apresenta atividade catalítica;

- Normalmente são óxidos cujos sítios ativos são constituídos por

cátions;

- A posição e o estado de oxidação dos cátions interfere na

atividade do material.

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Me(NO3)2(aq) + 2KOH(aq) Me(OH)2(ppt) + 2KNO3(aq) pH 10

Filtrado

Lavado

Secado

Triturado

Umedecido

Extrudado

Secado

Cortado

Calcinado

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Síntese do catalisador

Nitratos de Co,

Mn, Ag, Mg, Al KOH

Kovanda, F. et al. Mixed oxides obtained from Co and Mn containing layered double

hydroxides. J. Solid State Chem. 179 (2006) 812

Teste dos catalisadores

-Teste de bancada (teste da gota);

-Velocidade característica (c*);

- Impulso específico (Isp).

- Teste no micropropulsor.

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Testes no micropropulsor

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Testes no micropropulsor

CoMnAl CoMn

CoMnAg CoMnMg

Teste no micropropulsor (10s)

2,5N 1,7N

2,0N 2,2N

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Teste no micropropulsor (10s)

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CoMnAl

2,2N

Teste contínuo (30s)

CoMnAl

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Teste pulsado (5s)

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Otimização do micropropulsor

L = 29 – 33mm

D = 15 – 17mm 19

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Novos catalisadores

- Co4MnAl - CoMn4Al

- Co2MnAl - CoMn2Al

- Co2Mn2Al - CoMnAl

- Co2Mn - CoMn2

- MnAl2 - CoAl2.

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Bancada de testes portátil

Caracterização dos catalisadores

- Adsorção de nitrogênio;

- Termogravimetria;

- Difração de raios x;

- Espectroscopia fotoeletrônica por raios x (XPS);

- Teste de resistencia a compressão.

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Caracterização dos catalisadores

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- Foram preparados óxidos mistos a base de Co e Mn através de diferentes

métodos de síntese;

- O método de síntese por coprecipitação em solução aquosa foi o que

apresentou melhores resultados;

- Os óxidos preparados foram utilizados como catalisadores na decomposição

do H2O2 concentrado;

Conclusões

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- Com base no resultado dos testes preliminares, o trio Co, Mn e Al foi

selecionado para a síntese dos novos catalisadores;

- Os resultados da caracterização dos materiais serão correlacionados com as

propriedades catalíticas dos mesmos.

- O catalisador de melhor desempenho será selecionado

Conclusões

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Publicações

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-Maia, F. F; Pereira, L. G. F. ; Gouvea, L. H. ; Costa, F. S. ; Vieira, R. New bulk catalyst for rocket grade hydrogen

peroxide decomposition. Journal of Propulsion and Pòwer. in press.

-Maia, F. F; Gouvea, L. H. ; Pereira, L. G. F.; Costa, F. S. ; Vieira, R. Development and optimization of a catalytic

thruster for hydrogen peroxide decomposition. Journal of Aerospace Engineering, Sciences and Applications. in

press.

Artigos aceitos

-Maia, F. F; Pereira, L. G. F. ; Gouvea, L. H. ; Costa, F. S. ; Vieira, R. Performance of a 2 N microthruster using

hydrogen peroxide and a mixed oxide bulk catalyst. In: Space Propulsion 2012, 7th – 10th may 2012, Bordeaux,

France.

-Maia, F. F; Gouvea, L. H. ; Pereira, L. G. F.; Costa, F. S. ; Vieira, R.Otimização das dimensões de um

micropropulsor a decomposição catalítica de peróxido de hidrogênio 90%. In: VII Congresso Nacional de

Engenharia Mecânica, CONEM 2012, 31 de julho a 3 de agosto de 2012, São Luis, MA.

-Maia, F. F; Gouvea, L. H. ; Pereira, L. G. F.; Costa, F. S. ; Vieira, R. A new catalyst for hydrogen peroxide

decomposition in a satellite microthruster. In: Simpósio Aeroespacial Brasileiro 2012, 29 a 31 de maio de 2012,

São José dos Campos, SP.

Artigos divulgados

Obrigado pela atenção

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