Triplicando a capacidade dos cilindros.

Caros Amigos,

Vamos abordar nesse tópico uma forma de armazenar maior quantidade de GNV nos cilindros através da propriedade de adsorção do carvão ativado, o que não é nada novo e atualmente é pesquisado em vários locais, havendo certas dificuldades tecnológicas no abastecimento e esvaziamento e na prodição do carvão ativado adequado.

Na verdade este relato é um resumo de estudos e experiências realizadas por mim há cerca de 4 anos quando iniciei um projeto pessoal de desenvolver técnicas para aumentar a autonomia de veículos GNV com o uso do próprio cilindro original do veículo, o qual seria preenchido com carvão especialmente ativado e aditivado, capaz de, teoricamente, permitir o aumentar a capacidade de armazenamento do cilindro em 3 a 4 vezes o volume normal GNV que o cilindro originalmente comporta num abastecimento com a pressão normal dos postos, ou seja, de 200 bares.

Comercialmente falando seria ótimo se, ao custo de um cilindro novo (virtual), se aumentasse em mais de 3 vezes a autonomia do veículo.

Exemplificando: Se um cliente chegasse com um veículo com cilindro de 16 m3 e autonomia de, digamos, 160 Km (10Km/m3), pagasse o equivalente a R$ 1.000 e , após 3 a 4 horas de serviço, seu carro, com o mesmo cilindro original, porém 30 Kg mais pesado, passasse a armazenar 50m3 e sua autonomia passaria a 500 Km, isso sem limites de kilometragem, sem ocupar masi nenhem espaço adicional e com uma garantia de 2 anos.

Um grande negócio para todos ...

Para o dono do carro, pois triplica a capacidade de GNV e a autonomia sem ocupar nenhum espaço adicional na mala do carro.

Para a Empresa que, mesmo com uma margem de 30% conseguiria uma gama enorme de clientes e poderia expandir-se para todo o país.

Antes de discorrer sobre a parte teórica, processos de ativação, controle de qualidade e experiências realizadas (num palio 1.6), já antecipo que a coisa esbarra exatamente na obtenção da aditivação apropriada do carbono, que requer equipamentos especiais e reatores de alto custo, o que teria de ser obtido com a parceria das empresas que produzem carvão ativado no Brasil.

1 – COMO FUNCIONA A ATIVAÇÃO DO CARVÃO:
O carvão ativado resulta da modificação da estrutura molecular de compostos orgânicos submetidos a altas temperaturas e na ausência de oxigênio para que não haja combustão, onde ocorre a eliminação de grande parte de materiais voláteis, água, resinas, etc, resultando numa substancia com altíssimo teor de carbono e cerca de 5 a 10% de materiais inertes, como cinzas e resíduos oxidados, que comumente denominamos carvão.

Este carvão inicialmente obtido é depois moído e separado em granulometrias distintas através de peneiras de malhas mais ou menos abertas, e dessa forma são colocados em reatores sem contato com o ar atmosférico nem oxigênio (para não queimar), onde esses reatores recebem a injeção de vapor dágua (comumente nos carvões ativados simples para purificação de água) ou com adição de gases mais ou menos inertes ou vapores metálicos.





Sob alta temperatura (de 800 a 1200 ºC), e mediante um ciclo controlado de aquecimento e resfriamento, ocorre nas partículas do carvão a formação de microporos que são como minúsculas cavernas cujas paredes são de carbono e cujo diâmetro da caverna depende do processo de aquecimento/resfriamento, além da composição dos vapores que preenchem os reatores.

Num carvão ativado comercial, desses para água e filtros de odores, esses microporos apresentam diâmetros aleatórios distribuídos numa ampla faixa dimensional, de maneiras que a adsorção (absorção de substancias) tem amplo espectro, servindo para absorver grande variedade de materiais orgânicos e inorgânicos, sendo muito eficientes na absorção de cloro, compostos aromáticos, elementos químicos diversos, em fim, uma enorme gama de materiais, o que torna o carvão ativado um excelente produto tanto para a eliminação das impurezas da água, como também numa ampla variedade de aplicações, como indústrias de bebidas, controle e descontaminação de efluentes industriais, na medicina na absorção de venenos e substancia tóxicas ingeridas, etc.

Quanto mais microporos tiver o carvão ativado, melhor seu desempenho e em laboratório existem alguns testes que avaliam a absorção de Iodo e outros elementos, de modo a classificar o carvão ativado tanto pela quantidade de absorção como, conforme o material mais ou menos absorvido, a distribuição dimensional dos microporos, indicando que tal carvão é ideal para determinadas substancias, outro é mais adequado para outras, e assim se qualificam os carvões ativados: QTD de microporos X dimensões desses microporos .

Em outras palavras: Quanto mais microporos maior a absorção, Conforme o tamanho desses microporos, maior ou menor a eficiência para determinadas substancias.
Regra geral, quanto menor o microporo, mais eficiência para moléculas menores.


No nosso caso, o principal composto que desejamos armazenar nesse carvão ativado é o Metano (CH4) que é o mais importante componente do GNV e, portanto, vamos fazer uma excursão imaginária para entender como isso funciona:

Uma molécula de metano CH4 tem um centro de carbono e 4 átomos de hidrogenio externos e quando tentamos juntar muitos desses átomos, existirá uma força de repulsão entre os hidrogenios externos que dificultará essa tarefa de juntar bem essas moléculas de CH4.

É como se cada uma molécula de CH4 (metano) fosse uma molinha de caneta: Para colocar muitas num reservatório, temos que apertar mais e mais e, por isso, para armazenar bastante GNV, temos que “apertar” essas moléculas com uma pressão absurda de 200 bares.

Ainda no exemplo àcima, se conseguíssemos enfraquecer essas “molinhas de caneta” ou seja, reduzir a força de repulsão entre 2 moléculas de CH4 vizinhas, conseguiríamos juntar muito mais molinhas com a mesma pressão aplicada.

Pois bem, imagina uma caverna com paredes de carbono e onde introduzimos muitas moléculas de CH4, podemos constatar que esses hidrogenios exteriores procuram se alinhar de modo a unir-se aos átomos de carbono das paredes da caverna, diminuindo assim a ação repulsiva entre os mesmos, ou seja, com a mesma pressão vamos encher essas cavernas com muito mais moléculas de CH4 do que sem os átomos de carbono das paredes das cavernas.

Esse é, portanto, o “segredo do Tostines”, ter um reservatório cheio de carvão ativado com microporos (caverninhas) com o diâmetro apropriado para atuar reduzindo a força de repulsão das moléculas de metano e, assim, permitir um melhor aproveitamento do volume disponível, conseguindo com isso, entre 3 e 4 vezes maior armazenagem à mesma pressão e no mesmo volume total.

Mais à frente vamos continuar com a saga e relatar as dificuldades encontradas, as ações sugeridas e as experiências realizadas.

Qualquer comentário será muito bem vindo.

Abraços,

OPS: desculpem pelo post super longo !

Pelo que exposto acima vemos que para se obter o efeito desejado devemos obter inicialmente um carvão ativado com grande concentração de poros que sejam adequados à molécula do metano (CH4).

Na avaliação dos poros devemos levar em conta seu diâmetro em nanômetros ou Angstron (1 Â = 1 nanômetro):

Macroporos (poros muito grandes), com diâmetro acima de 50 nM (nanômetros) (>50 Â = Angstron)
Mesoporos (poros médios), com diâmetros na faixa de 2 a 50 nM ( 2Â < p < 50 Â)
Microporos, como o nome diz, com poros diminutos de diâmetro abaixo de 2nM.

Por outro lado a existência desses poros faz com que a área disponível para a fixação das moléculas do metano será proporcional à quantidade de poros por unidade de massa do carbono, daí que esse índice de porosidade é expresso em m2/grama (de carbono), também denominado área superficial específica.

Da mesma forma, a profundidade desses poros ou “cavernas” tem grande importância pois permitirá maior capacidade de retenção das moléculas do metano e, considerando-se o diâmetro desses poros, poderemos quantificar esse parâmetro como volume dos poros total numa massa unitária do carvão, normalmente expresso em cm3/grama.

Medidas experimentais realizadas sob rigorosos controles termodinâmicos mostram que o ideal para se adsorver o gás natural implica na obtenção de carvão ativado com poros da ordem de 5 a 15 Â de diâmetro, na realidade, mesoporos e, para uma maximização da eficiência de adsorção, o processo de produção do carvão ativado deverá focar em se obter a grande maioria dos seus poros nessa faixa de diâmetro dos mesoporos, ideal para a molécula de metano.

Segue um link sobre pesquisas de Gás e Petróleo que mostra os testes realizados com diversos tipos de carvão ativados:
Só membros tem acesso aos links:

Da mesma forma, segue outro link onde as diversas formas de produção do carvão ativado são expostas, inclusive mostrando todo o fluxograma de produção desses materiais (pag.34 a pág.40): Só membros tem acesso aos links:


Para enfatizar mais essa real possibilidade, aproveito para anexar outro link de trabalhos e estudos realizados na Unicamp onde se enfatiza a redução tamanho do cilindro de modo a armazenar o meso volume de GNV num pequeno espaço: Só membros tem acesso aos links:

Como não há nada mais convincente do que testar você mesmo, resolvi partir para as experiências práticas, até mesmo para avaliar as dificuldades que haveriam de surgir e parti para a realização das minhas experiência:

a) Veículo : Palio Weekend 1.6, com GNV, cilindro de 72 litros (16 m3), consumo médio na cidade ( área da Barra e Jacarepaguá)- poucos engarrafamentos, dando 11 Km/m3 .

b) Cilindro de teste: Comprei um cilindro de 30 litros (Matincendio) e coloquei num berço extra, de modo que, fechando o cilindro original, daria para se rodar no cilindro extra e fazer os testes : Teste de Enchimento e Teste de Utilização

c) Compra do carvão ativado: Como não dava pra escolher fornecedor nem as características que desejava, relacionadas ao tamanho dos poros, comprei mesmo o carvão ativado em pelotas do tamanho com granulometria comparável a milho picado (cerca de 0.8 mm de diâmetro).

d) Preparação da válvula do cilindro: Para melhorar a captação em todo o comprimento do cilindro, resolvi adaptar um tubo de PVC marrom, de 32mm (desses de água), devidamente repleto de cortes parciais de makita para que pudesse captar o metano desde a válvula até o final do cilindro.
Esse tubo era revestido com uma cobertura de pano (desses panos de chão) para evitar que as partículas de carvão não fossem captadas e seguissem pela linha de alimentação, podendo obstruir tanto a válvula de segurança do cilindro como prejudicar o redutor de pressão).
Note que era apenas um protótipo e que seria aperfeiçoado mais à frente.

Durante uma semana inteira fiz vários abastecimentos usando só este cilindro e, quase sempre cabia entre 6 e 7 m3, salva algumas vezes que a pressão do posto estava muito baixa.
Sabia que se conseguisse mais de 7 m3 a coisa estaria funcionando.

Dia da Experiência:
a) Colocamos o cilindro vazio em pé e, com ajuda de um funil, enchemos com o carvão ativado até +/- 10/15 cm da boca.
b) Introduzimos a válvula com o longo tubo de pvc que ia até quase ao final do cilindro ( ficava faltando +/- 10 cm para chegar ao final).
c) Atarraxamos a válvula e fixamos o cilindro já cheio do carvão ativado no berço.
Como colocamos cerca de 30 litros de carvão ativado, o cilindro ficou repleto e seu peso aumentou cerca de 15 Kg ( a densidade do carvão ativado é próxima de 0,5 Kg/litro).

d) Ida ao posto abastecer: No caminho pensava que como o cilindro estava cheio de carvão ativado, na hora do GNV entrar, seria difícil caber alguma coisa, pois o cilindro já estava CHEIO (de carvão).
Chegando ao posto, fechei o registro do cilindro normal do carro e abri apenas o do novo cilindro e mandei abastecer:

O abastecimento foi realizado e coube exatos 8,2 m3 de GNV, o que era ótimo para uma primeira experiência.

Notei, entretanto, alguns motivos de preocupação:
Durante o enchimento é normal que o cilindro vazia vá aquecendo, afinal o gás vai se acomodando sob imensa pressão, mas nesse caso o aquecimento foi muuiito maior, quase não dava para segurar no cilindro, confesso que cheguei a ficar temeroso na hora e quase abortei a experiência.

e) Usando o GNV do cilindro: Parti do posto com o carro em GNV normalmente e fiz meu primeiro teste de rodagem, absolutamente normal, não perdeu nem ganhou força/potencia e assim rodei até acabar o GNV.

Notei que rodei apenas 66 KM contra os 70/75 Km que rodava anteriormente com esse cilindro e, para minha surpresa, ao reabastecer o mesmo recebeu apenas 6 m3.

Conclusão: O cilindro reteve em seu interior cerca de 2,2 m3 de GNV e, após mais alguns testes semelhantes, a capacidade de enchimento ficava em 6 m3, ou seja, 2,2 m3 ficavam aprisionados dentro do cilindro.

Parece péssimo mas tem uma explicação e uma solução que veremos no próximo capítulo.

Abs,

Olá amigos,

A experiência inicial comprovou que o fenômeno da adsorção realmente permite um maior armazenamento do GNV e o resultado da experiência nos dá alguns rumos a seguir:

1 – Obter carvão ativado com uma área específica (m2/g) elevada e com dimensões de poros adequados à adsorção do metano, na casa dos 5 a 15 Â:

O carvão que utilizei era desses comerciais com área específica de cerca de 500 a 800 m2/g e com poros distribuídos nas dimensões entre 10 e 100 Â, bem longe do ideal, pois a qtd de mesoporos só aumenta com o tempo de exposição ao calor e ao tipo de material empregado, conquanto o peso específico (responsável pela densidade do produto final), vai diminuindo mas o carvão comercial precisa ser produzido de forma menos exigente e mais rapidamente para ter custos competitivos no mercado de purificação.

Sabemos que carvões ativados durante um tempo de 4 a 8 horas sob 500 a 800 ºC chegam a oferecer uma área específica de cerca de 1500 m2/g, e maior concentração de mesoporos, com relativa redução de megaporos e microporos, aplicando-se a perfeitamente a nosso caso e que permitiria um armazenamento de quase 16 m3, ainda que, a retenção de cerca de 25% no cilindro nos permitiria obter um armazenamento repetitivo de cerca de 12 m3 no mesmo cilindro.

Claro que estes carvões teriam que ser produzidos por encomenda, pois devido ao maior tempo de exposição ao calor e sob atmosfera controlada, seu custo seria superior ao do carvão comercial utilizado para tratamento dàgua.

Sabemos que no exterior existe a produção de carvões ativados com área específica superior a 3000 m2/g e com a concentração de mais de 90% de mesoporos, ideais para nosso produto mas seus custos e valor de frete ficariam muito elevados.

Atualmente o carvão ativado, devido á existência dessa enorme área disponível por unidade de massa e de volume está sendo utilizado para obtenção de acumuladores elétricos de alto rendimento, substituindo a platina em alguns tipos de células voltaicas e com área específica da ordem de 5000 m2/g.

No nosso caso seria necessário um trabalho conjunto com as empresas produtoras do carvão ativado, objetivando a produção em escala deste carvão ativado de maior performance a um custo moderado.

2 – Problema do aquecimento excessivo durante o abastecimento:

Como pudemos observar no nosso primeiro abastecimento, a adsorção do metano sob pressão e num espaço de tempo relativamente reduzido produz um aquecimento do conjunto cilindro-carvão que acaba por dificultar o próprio abastecimento, pois quanto mais aquecido o ambiente de estocagem do gás faz o mesmo se dilatar e com isso a pressão interna sobe, antecipando o ponto de equilíbrio da pressão externa X interna, encerrando o fluxo de carga.

Certamente que com o resfriamento natural do cilindro, caberia maior quantidade de GNV estocada mas esse “complemento de carga” estaria fora de questão.

Um abastecimento mais lento certamente iria aquecer menos o cilindro, mas nada tão eficaz assim e, além disso, internamente, na configuração por nós utilizada, o núcleo carbonífero, de qualquer modo, teria grande dificuldade de dissipar o calor para o meio externo, ou seja, se no abastecimento o cilindro chegou a mais de 60 graus, certamente no interior do cilindro a temperatura foi muito maior.

Isso ficou evidente quando o sistema foi desmontado posteriormente e detectou-se que o tubo de PVC central apresentava-se bastante deformado pelo calor.

Para resolver o problema seria necessário melhorar a dissipação de calor do carvão para o cilindro e do mesmo para o ambiente, o que não é nada fácil, sendo que esse aquecimento tem como única desvantagem a redução da capacidade de armazenagem no ciclo de carga, pois o cilindro em si suporta facilmente tais temperaturas e, considerando-se as temperaturas estimadas, limitaria em mais de 10% a capacidade de armazenagem máxima do conjunto.

3 - Resolver a questão da retenção de metano aprisionado no cilindro :

Vimos que o carvão ativado reteve boa parte do metano aprisionado nos seus mesoporos e isso se dá pelas ligações entre os átomos externos de hidrogênio que estabelecem ligações elétricas com os átomos do carbono das paredes dos mesoporos, retendo assim uma não desprezível quantidade de metano no interior do cilindro.

Para se resolver esse problema seria necessário aquecer-se o carbono para que a energia térmica gerada aumentasse a agitação eletrônica das moléculas de metano, com isso quebrando mais facilmente as ligações dos hidrogênios com as paredes dos mesoporos e liberando essas moléculas para o exterior do cilindro.

Isso seria relativamente fácil de se fazer, bastando que se detectasse o nível de pressão do cilindro abaixo de um valor de referência, quando então um eletrodo, em contato com o carvão ativado, seria então atravessado por uma corrente elétrica que agiria aquecendo o carvão e o liberando para fora do cilindro, reduzindo substancialmente essa histerisis na descarga do metano.

A configuração desse eletrodo poderia ser semelhante ao “pé de galinha” utilizado nos filtros para piscinas, onde um tubo furado e metálico faz contato com várias áreas do interior do cilindro e, quando ativado, permitiria uma passagem de corrente elétrica para as paredes do cilindro metálico, aquecendo o carvão ativado existente.

Bem, já vimos que há muito que se fazer, mas mesmo com essas limitações bastaria se ter um bom carvão ativado para se obter, sem delongas, pelo menos o dobro da capacidade de armazenamento inicial dos cilindros.

Confesso que já dei uma boa pesquisada nos processos de ativação do carvão para obter uma melhora de sua qualidade mas nas consultas feitas a 2 empresas nacionais fabricantes de carvão ativado, ambas não acharam interessante.

Tentei aqui no Rio conseguir um forno onde pudesse ativar mais intensamente o carvão ativado comercial mas quando a turma fica sabendo que preciso usar o forno a 500 / 800ºC por 4 horas seguidas e com a injeção constante de CO2 + vapor dágua para expulsar qualquer resquício de oxigênio (que se penetrasse na câmara faria tudo pegar fogo), a “porca torce o rabo” e ninguém quer arriscar.

Além disso não tenho os equipamentos de laboratório para qualificar o carvão para comparar resultados e saber se estamos no caminho certo.

Bem, se alguém quiser ajudar e também participar do desenvolvimento, estou disposto a perseguir esse objetivo, pois daria um bom negócio para todos.

Para finalizar, o uso do carvão ativado no cilindro faz com que todo o aromatizante (aditivos aromáticos) adicionado ao GNV e que lhe dá o cheiro característico seja absorvido pelo carvão ativado, de modo que caso o GNV escape, será completamente inodoro, o que não é nada bom, mas tem jeito.

Abraços,

O carvão ativado já é utilizado nesta aplicação de absorção da odores à muito tempo . Geralmente, as donas de casa usam o carvão ativado ou um pedaço de carvão normal para retirar odores da geladeira, desde o tempo de minha avó.
Por isso não me admiro em que o carvão ativado absorva o odor caracteristico do gás natural.

Tem um detalhe tb COC, é o óleo! o maldito óleo! sera qeu ele nao impregnou o carvão!? já viu como fica nossos redutores repletos de óleo?!