Dissertações

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José Lucas da Silva

Guilherme Ferreira de Lima

Estudo de Separação de Álcoois e Água por Meio de Redes Metalorgânicas (mofs)

Study Of Alcohol-water Separation Using Metal-organic Frameworks (mofs)

Química

Físico-Química, Biofísica e Química Computacional

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13/07/2026

https://teams.microsoft.com/l/message/19:0670a4c5f

09:00

Prof. Guilherme Ferreira de Lima - Orientador (Dr. (UFMG))
Prof. Júlio Cosme Santos da Silva (Dr. (UFAL))
Profa. Patrícia Alejandra Robles-Azocar (Dr. (UFMG))

A separação de misturas envolvendo água e álcoois de cadeia curta representa um desafio relevante para a indústria química, especialmente em processos como desidratação de etanol e separação entre metanol e etanol. Neste trabalho, investigou-se o comportamento adsortivo de água e álcoois lineares de C1 a C4 em três MOFs da família SIFSIX: SIFSIX-2-Cu, SIFSIX-2-Cu-i e SIFSIX-3-Cu, utilizando cálculos DFT+U com correção de dispersão, análise NCI, simulações GCMC e dinâmica molecular (MD). Os resultados mostraram que a SIFSIX-2-Cu apresenta adsorção dominada por ligações de hidrogênio OHF, com maior afinidade para o etanol. Na SIFSIX-2-Cu-i, o confinamento promovido pela interpenetração favoreceu interações cooperativas de múltiplos contatos fracos, resultando na maior energia de adsorção para o etanol. Já a SIFSIX-3-Cu, ultramicroporosa, apresentou comportamento típico de peneiramento molecular, alcançando seletividades cerca de duas ordens de grandeza superiores para os pares H2O/EtOH e MeOH/EtOH. Os ajustes isotérmicos confirmaram a heterogeneidade energética dos sítios de adsorção, enquanto as simulações de dinâmica molecular indicaram comportamento subdifusivo e forte confinamento molecular nos canais. Conclui-se que a SIFSIX-3-Cu apresenta o maior potencial para aplicações de desidratação de soluções alcoólicas e separação seletiva entre metanol e etanol. Os resultados demonstram que o controle do comprimento do ligante orgânico e da interpenetração de redes constitui estratégia eficiente para o desenvolvimento de adsorventes seletivos direcionados a aplicações específicas.

Adsorção de etanol, Adsorção seletiva, Seletividade molecular, Simulação molecular

The separation of water and short-chain alcohol mixtures remains an important challenge in the chemical industry, particularly for processes such as ethanol dehydration and methanol/ethanol separation, which are typically energy-intensive when performed by conventional distillation. In this work, the adsorptive behavior of water and linear alcohols from C1 to C4 was investigated in three SIFSIX-based metal organic frameworks (MOFs): SIFSIX-2-Cu, SIFSIX-2-Cu-i, and SIFSIX-3-Cu. The study combined DFT+U calculations with dispersion corrections, non-covalent interaction (NCI) analysis, grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulations, and molecular dynamics (MD) simulations. The results showed that adsorption in SIFSIX 2-Cu is mainly governed by directional OHF hydrogen bonds, with ethanol displaying the strongest affinity toward the framework. In the interpenetrated structure, SIFSIX-2 Cu-i, confinement effects promoted cooperative weak interactions, leading to the highest adsorption energy for ethanol among the investigated systems. In contrast, the ultramicroporous SIFSIX-3-Cu exhibited a clear molecular sieving effect, achieving selectivities nearly two orders of magnitude higher for the H2O/EtOH and MeOH/EtOH pairs compared to the other materials. Isotherm fitting indicated the presence of energetically heterogeneous adsorption sites, while molecular dynamics simulations revealed sub-diffusive behavior and strong confinement of the adsorbates inside the channels. Overall, SIFSIX-3-Cu emerged as the most promising material for alcohol dehydration and methanol/ethanol separation processes. These findings demonstrate that tuning the organic linker length and network interpenetration is an effective strategy for designing selective adsorbents targeted toward specific separation applications.

Ethanol adsorption, Molecular selectivity, Molecular simulation, Selective adsorption