Realizado em Vitória/ES, de 09 a 11 de Setembro de 2015.
ISBN: ISBN 978-85-85905-13-2
TÍTULO: Análise das Propriedades Estruturais e Química de Carvão Ativado Polimérico Obtido a partir de Carbonização Hidrotermal para Aplicação como Suporte de Catalisador
AUTORES: Antero, R.V.P. (UNIVERSIDADE DE BRASILIA) ; de Oliveira, S.B. (INSTITUTO FEDERAL DE GOIAS) ; Barbosa, D.P. (PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS) ; Cândido, K.F. (INSTITUTO FEDERAL DE GOIAS) ; Brum, S.S. (UNIVERSIDADE DE BRASILIA) ; Botlinger, M. (UMWELT CAMPUS BIRKENFELD- ALEMANHA)
RESUMO: O trabalho em desenvolvimento descreve a obtenção de carvão ativado
polimérico a partir de resinas de troca iônica (Sty-DVB) e metodologia de
Carbonização Hidrotermal (HTC) associada ao processo de ativação química. Os
materiais desenvolvidos para aplicação como suporte de catalisador foram
caracterizados quanto à estrutura morfológica e a partir dos grupos
funcionais superficiais. Essas análises permitiram verificar a eficiência da
HTC para a formação de microesferas com excelentes propriedades texturais e
estruturais, propriedades superiores àquelas verificadas no material obtido
a partir da metodologia clássica de ativação física. Além dessas constatou-
se também a formação de grandes quantidades de grupos funcionais
superficiais e manutenção das propriedades de resistência mecânica
PALAVRAS CHAVES: Carvao Ativado; Carbonização Hidrotermal; Catálise
INTRODUÇÃO: A carbonização hidrotermal (HTC) tem se destacado na produção de materiais
funcionais, devido à sua simplicidade, baixo custo e eficiência energética
(ROMÁN et al., 2013). O método consiste basicamente em reagir o material
precursor com água em uma autoclave utilizando temperaturas entre 150 ºC e
260 ºC, sob pressões autogeradas (OLIVEIRA; BLÖHSE; RAMKE, 2013; ROMÁN et
al., 2013), permitindo obter um material carbonáceo com excelentes
propriedades texturais e estruturais (POERSCHMANN et al., 2014); entre os
quais é possível citar o carvão ativado polimérico (CAP), materiais que são
empregados principalmente como suporte de catalisadores (PEREIRA; ÓRFÃO;
FIGUEIREDO, 2004). Algumas reações têm sido destacadas na literatura como
catalisadas por CAP, entre as quais é possível destacar a desidrogenação do
etilbenzeno (OLIVEIRA; RABELO; RANGEL, 2005; PEREIRA; ÓRFÃO; FIGUEIREDO,
2004), na qual o copolímero Sty-DVB tem atuado como precursor para obtenção
de CAP para atuação como suporte de catalisadores OLIVEIRA; RABELO; RANGEL,
2005). O CAP obtido a partir desses materiais é tradicionalmente produzido
através de pirólise (temperaturas superiores a 500 ºC) e, em seguida,
ativado por tratamento térmico (700-900 ºC), o que leva a um grande consumo
energético. Dessa forma, a melhoria da eficiência energética do processo
seria muito interessante para diminuir os custos de produção, o que pode ser
conseguindo através da HTC (ANTERO; OLIVEIRA; BARBOSA, 2014)
MATERIAL E MÉTODOS: (i)- Material Precursor: Empregou-se para as análises resinas de troca
iônica à base de Estireno- Divinilbenzeno (Sty-DVB) sulfonadas e com
granulometria de 125-250 µm sulfonadas. (ii)-Ativação Hidrotérmica das
Microesferas de Sty-DVB: Para os experimentos HTC utilizou-se um reator de
aço inoxidável e para cada experimento foram empregados 1,5 g do copolímero
disperso em 30 mL de solução. No processo de ativação inicialmente as
micropartículas foram aquecidas a uma temperatura de 250 ºC por 2h e
carbonizadas a 900 °C (5 ºC min-1.) sob fluxo de nitrogênio (100 mL.min-1),
durante 3h. Após essa etapa, as amostras carbonizadas foram tratadas com
KOH (SHI et al., 2013)) e posteriormente ativadas no sistema HTC, fornecendo
as amostras Cap-I1 e Cap-I2. Outra amostra foi ativada diretamente sem
tratamento químico (Cap-K1). Para fins comparativos, micropartículas do
copolímero foram também ativadas a partir de ativação física (Cap-Af).
(iii)-Caracterização das Amostra: O CAP obtido foi caracterizado através de
Microscopia Eletrônica de Varredura (JEOL, Mod. JSM-6610). Além dessas,
analisou-se ainda as propriedades químicas superficiais a partir do método
de titulação Boehm para determinação dos grupos funcionais (CECHINEL et al.,
2014) e as propriedades de resistência mecânica (ensaio de compressão da
partícula).
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Imagens de microscopia eletrônica de varredura demonstraram a formação de
pequenas escavações na superfície das partículas, sendo algumas
caracterizando os chamados poros abertos, devido à conecção com a superfície
externa do material (GREGG; SING, 1991) (Fig. 1A). Essas particularidades
são devido às altas temperaturas de tratamento, responsáveis pelas saídas de
gases do interior das partículas carbonizadas e ativadas. As imagens também
demonstraram melhores propriedades morfológicas para os materiais obtidos a
partir da HTC, do que aqueles obtidos pela metodologia clássica de ativação
física. Além dessas propriedades, a partir do ensaio de compressão da
partícula verificou-se que as propriedades elásticas dos materiais foram
mantidas, sendo impossível determinar os valores referentes à quebra das
partículas, comportamento descrito como endurecimento cíclico (KOZHAR et
al., 2012). Caso as propriedades de resistência do material tivessem se
perdido, após a primary breakage, observar-se-ia até a aplicação máxima de
força, sucessivos estágios de breakage, sinalizando diversos ciclos. No
entanto, para o CAP desenvolvido, observou-se um único ciclo (Fig. 1B).
Essas análises permitem constatar que os tratamentos térmicos e a ativação
hidrotermal mantiveram as propriedades texturais de origem no CAP
desenvolvido, tornando-o promissor para atuar como suporte de catalisador.
Na analise de grupos funcionais constatou-se acréscimo de grupos funcionais,
os quais foram aumentados pela concentração de KOH. Os resultados obtidos
conforme demonstrado na Tabela 01 também permitiram observar a eficiência da
HTC para a formação de grupos funcionais carboxílicos e fenólicos,
demonstrando novamente características adequadas para atuar como suporte
catalítico
Figura 01
Tabela 01
CONCLUSÕES: As estratégias experimentais adotadas na ativação hidrotermal do Sty-DVB
sulfonado conduziram à formação de CAP com excelentes propriedades
morfológicas. Nesses materiais foi possível observar o acréscimo de grupos
funcionais, os quais são aumentados pela concentração de KOH. Análises a
partir do ensaio de compressão da partícula também demonstraram que os
tratamentos térmicos e a ativação hidrotermal mantiveram as propriedades
mecânicas de origem no CAP hidrotermal, tornando-o promissor para atuar como
suporte de catalisador.
AGRADECIMENTOS: Á FAPEG Pela Bolsa de mestrado e financiamento do projeto. Ao programa “No
Waste” Pelo Intercambio com a Umwelt Campus-Birkenfeld- Alemanha
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: ANTERO, R. V. P.; OLIVEIRA, S. B. DE; BARBOSA, D. P. Produção de materiais de carbono ativo a partir de resíduos poliméricos por carbonização hidrotermalNatalIn: Congresso Brasileiro de Química, 54., , 2014.
CECHINEL, M. A. P. et al. Study of lead ( II ) adsorption onto activated carbon originating from cow bone. Journal of Cleaner Production, v. 65, p. 342–349, 2014.
GREGG, S. J.; SING, K. S. W. Adsorption, surface area, and porosity. 2. ed. Michigan: Universidade de Michigan, 1991.
KOZHAR, S. et al. Experimentally calibrated contact models for micrometer-sized particles. Disponível em: <http://www.piko.ovgu.de/piko_media/aktuelles/Chops2012/Presentation_CHOPS_2012_Kozhar_pdf.pdf>.
OLIVEIRA, S. B. DE; RABELO, D.; RANGEL, M. C. Monitoring the preparation of spherical activated carbon from sulfonated styrene-divinylbenzene copolymer. Studies in Surface Science and Catalysis, Studies in Surface Science and Catalysis. v. 156, p. 609–616, 2005.
OLIVEIRA, I.; BLÖHSE, D.; RAMKE, H.-G. Hydrothermal carbonization of agricultural residues. Bioresource technology, v. 142, p. 138–46, ago. 2013.
PEREIRA, M. F. .; ÓRFÃO, J. J. .; FIGUEIREDO, J. . Influence of the textural properties of an activated carbon catalyst on the oxidative dehydrogenation of ethylbenzene. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, v. 241, n. 1-3, p. 165–171, jul. 2004.
POERSCHMANN, J. et al. Hydrothermal carbonization of poly(vinyl chloride). Chemosphere, v. 119C, p. 682–689, 21 ago. 2014.
ROMÁN, S. et al. Production of low-cost adsorbents with tunable surface chemistry by conjunction of hydrothermal carbonization and activation processes. Microporous and Mesoporous Materials, v. 165, p. 127–133, jan. 2013.
SHI, Q. et al. Adsorption of naphthalene onto a high-surface-area carbon from waste ion exchange resin. Journal of Environmental Sciences, v. 25, n. 1, p. 188–194, jan. 2013.