luis gustavo ferroni pereira
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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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