Preparação e caracterização de Fe-ZSM5/Al2O3 para combustão catalítica em meios porosos radiantes

ISBN 978-85-85905-10-1

Área

Ambiental

Autores

Ramos Cassiano, D. (UECE) ; Pires, A.P.M.P. (UECE) ; Pontes, A.H.B. (UECE) ; Brito, K. (UECE) ; Araújo, R.S. (IFCE) ; Cavalcante, F.S. (UECE) ; Oliveira, M.L.M. (UECE)

Resumo

A combustão catalítica em meios porosos radiantes surge como uma alternativa promissora para produção de energia reduzindo os poluentes comuns. O presente trabalho teve como objetivo preparar o FeZSM-5/Al2O3 para posterior aplicação na combustão catalítica de hidrocarbonetos residuais em queimadores porosos radiantes. O catalisador Fe-ZSM-5/Al2O3 foi obtido pelo método de troca iônica, caracterizado por absorção atômica (AA), análise textural superficial (BET), difração de raios X (DRX), e microscopia eletrônica de varredura (MEV) para avaliar condições de uso em meios porosos radiantes. As análises mostraram que o catalisador foi preparado com sucesso, sem alteração em sua estrutura, com teor metálico de 2%p/p, o que torna o catalisador apto para posterior aplicação em queimador

Palavras chaves

Fe-ZSM5; Emissões; Combustão

Introdução

Os meios porosos radiantes (MPR) são sistemas não convencionais de produção de energia calorífica que podem ser aplicados no seguimento de engenharia para diversos fins (e.g. geração de vapor, fundição, caldeirarias). Além de viáveis do ponto de vista energético e econômico (MUJEEBU et al., 2009), os MPR são ambientalmente promissores, pois, a queima de combustíveis nesses tipos de reatores reduz consideravelmente as emissões gasosas poluentes típicas dos processos de combustão (e.g. NOx e CO) (MOREIRA, 2012). Para potencializar a redução de emissões nesses sistemas, têm-se investido no estudo de MPR com a inserção de uma matriz catalítica seletiva (ARARUNA et al. 2013) e, portanto, faz-se necessário o desenvolvimento de catalisadores específicos para este fim. Catalisadores do tipo metal-ZSM5 são utilizados em diversas aplicações, buscando aumentar a eficiência da queima em processo de combustão e principalmente reduzir o teor de poluentes típicos produzidos nesses processos (BIN et al. ,. 2014; OLIVEIRA et al., 2009). Na combustão catalítica em MPR é importante preparar e caracterizar o catalisador empregado de forma adequada para alcançar as reduções de emissões esperadas. Desta forma, o presente trabalho teve como objetivo preparar o catalisador FeZSM-5 suportado em esferas de alumina (Al2O3) para posterior aplicação na combustão catalítica de hidrocarbonetos residuais em queimadores porosos radiantes (ARARUNA et al., 2009).

Material e métodos

Preparação do catalisador (FeZSM-5/Al2O3) O catalisador FeZSM-5 foi preparado pelo método de impregnação a seco, a partir da zeólita ZSM-5 (Si/Al = 20), misturando uma quantidade mínima de solução do metal ao suporte (ZSM-5), suficiente apenas para umedecê-lo (24h, a 80°C) de forma a obter um sólido com 2 %(p/p) do metal (EL-BAHY et al.., 2008). Após impregnação, o material foi lavado e misturado com esferas de alumina (Al2O3) com 2 mm de diâmetro. A amostra foi então seca em estufa por 24h a 110 °C e em seguida calcinada a 550 °C por 6h para obter o FeZSM-5 adsorvido na superfície das esferas de alumina, FeZSM-5/Al2O3 (ARARUNA et al., 2013). Caracterização do catalisador (FeZSM-5/Al2O3) O teor de ferro (Fe) no FeZSM-5 foi determinado por meio de espectrometria de Absorção Atômica (AA) (Perkin-Elmer - 3100). A análise textural superficial dos sólidos foi feita a partir de medidas de adsorção/dessorção de nitrogênio a 77K (BET) (Micromeritics - ASAP 2020) (BRUNAUER et al., 1938). A caracterização foi realizada por meio de difração de raios X (Diffractometer Siemens D-501) pelo método do pó, usando a radiação CuKα (varredura de 2θ = 5 – 50º), e a análise morfológica foi efetuada através de microscopia eletrônica de varredura (MEV) (Philips XL30 - Oxford Instruments), e de espectrometria de energia dispersiva (EDS) (XSAM 800 – Kratos) (IWAMOTO, 1994).

Resultado e discussão

Os resultados das análises de AA mostram que o teor de metal inserido no suporte foi aproximadamente o estimado inicialmente (2,0 %p/p). A análise textural superficial mostrou que o volume de microporos e a área superficial foi um pouco reduzida em relação a zeólita inicial. Espera-se que a redução de acidez superficial do material pela diminuição de sua área superficial não seja significativa na redução das emissões no sistema de combustão catalítica, uma vez que a presença do metal que pode se oxi-reduzir durante o processo de combustão, viabilizando a redução de emissões ao final do processo (OLIVEIRA et al. 2009). A redução do volume de microporos é comum neste tipo de amostras onde há substituição isomórfica de silício pelo metal, o que ratifica a troca iônica e a inserção do ferro na estrutura do suporte de partida (Figura 1). Os difratogramas de Raios-X apresentados na figura 2a são similares para o suporte (ZSM-5) e para o catalisador FeZSM-5 preparado, indicando poucas alterações nas fases cristalinas (OLIVEIRA et al., 2013). Não foram observados sinais de óxidos do metal incorporado, sugerindo que os cátions estão bem distribuídos na estrutura cristalina. A análise morfológica da ZSM-5 é mostrada na figura 2b(i) e revela que a estrutura é formada basicamente por átomos de O, Si e Al. A figura 2b(ii) mostra que o FeZSM-5 possui morfologia constituída por partículas formadas por blocos retangulares, e a composição química local no bloco, tal como indicado na figura 2b(i), revela uma relação Si/Al semelhante em ambas análises (suporte e catalisador), como o esperado, e teor de ferro encontrado foi de cerca de 2 %(p/p). Para os grandes blocos foram observados algumas agulha como partículas, de forma cilíndrica (Figura 2b(iiB)).

Características do suporte e catalisador

Conclusões

A análise de AA mostrou teor metálico de 2 %p/p como estimado inicialmente, os espectros de DRX, juntamente com as micrografias eletrônicas de varredura indicaram que não houve alteração da estrutura do catalisador pela inserção do metal, e a análise de BET revelou que não houve comprometimento do suporte de partida. Assim, com este estudo, obteve-se um catalisador estruturalmente adequado para o posterior teste em meios porosos radiantes catalíticos.

Agradecimentos

Referências

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