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
Introdução
“Satélites artificiais são veículos espaciais colocados na órbita da Terra
e que promovem, continuamente, a aquisição de dados relacionados às
propriedades primárias dos objetos.”
Aplicações
-Localização e posicionamento global;
- Detecção de incêndio e explosões nucleares;
- Telecomunicações;
- Previsões meteorológicas;
- Previsão de safras.
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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;
-Sensores;
Sistema de controle de
atitude dos satélites
-Propulsores;
- Algorítmo.
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Satélite geoestacionário
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Sistemas propulsivos a monopropelente
“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.”
(MAKLED; BELAL, 2009)
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Hidrazina
- Monopropelente mais utilizado atualmente;
- O catalisador utilizado é o Shell 405 (36% Ir/Al2O3).
3N2H4(l)
catalisador
N2(g) + 4NH3(g)
ou
3N2H4(l)
catalisador
3N2(g) + 6H2(g)
-É um monopropelente extremamente caro e altamente tóxico
(carcinogênico);
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Peróxido de Hidrogênio
- 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.
2H2O2(l)
catalisador
2H2O(v) + O2(g)
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Hidrazina vs Peróxido de Hidrogênio
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
* Orçamento da Sigma Aldrich
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Catalisadores para H2O2
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 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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Síntese do catalisador
Me(NO3)2(aq) + 2KOH(aq)
pH 10
Me(OH)2(ppt) + 2KNO3(aq)
Filtrado
Lavado
 Secado
 Triturado
 Umedecido
 Extrudado
 Secado
 Cortado
Nitratos de Co,
Mn, Ag, Mg, Al
 Calcinado
KOH
Kovanda, F. et al. Mixed oxides obtained from Co and Mn containing layered double
hydroxides. J. Solid State Chem. 179 (2006) 812
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Teste dos catalisadores
-Teste de bancada (teste da gota);
- Teste no micropropulsor.
-Velocidade característica (c*);
- Impulso específico (Isp).
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Testes no micropropulsor
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Testes no micropropulsor
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Teste no micropropulsor (10s)
CoMnMg
2,5N
CoMn
2,0N
CoMnAg
1,7N
CoMnAl
2,2N
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Teste no micropropulsor (10s)
CoMnAl
2,2N
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Teste contínuo (30s)
CoMnAl
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Teste pulsado (5s)
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Otimização do micropropulsor
L = 29 – 33mm
D = 15 – 17mm
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Novos catalisadores
- Co4MnAl
- CoMn4Al
- Co2MnAl
- CoMn2Al
- Co2Mn2Al - CoMnAl
- Co2Mn
- CoMn2
- MnAl2
- CoAl2.
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Bancada de testes portátil
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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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Conclusões
- 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;
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Conclusões
- 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
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Publicações
Artigos aceitos
-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 divulgados
-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.
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Obrigado pela atenção
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