Síntese de nanocristais de zeólita 4A a partir da técnica de microemulsão inversa

Abstract

Zeólitas são aluminosilicatos hidratados e cristalinos que possuem morfologia e tamanho de poros bem definidos. Muitas estruturas zeolíticas já foram sintetizadas utilizando diferentes metodologias, dentre estas, a microemulsão. A microemulsão inversa é um sistema no qual nanogotas de água são dispersas em óleo, sendo que estas atuam como nanoreatores. Nesse trabalho foi investigada a síntese de zeólita 4A via microemulsão inversa utilizando dois planejamentos experimentais com diferentes combinações e modos de dispersão, onde as variáveis estudadas para esses planejamentos foram relação Si/Al, temperatura e tempo de reação. Na preparação da microemulsão foram testados dois modos de dispersão, utilizando agitação mecânica e ultrassônica. Os níveis das variáveis testadas foram: relação Si/Al: 1,9, 2,2 e 2,4; a temperatura: 60 °C, 70 °C e 75 °C; o intervalo de tempo: 6h, 7h e 8h. Os produtos obtidos foram caracterizados pelas técnicas de DRX, FTIR, análise termogravimétrica (TG/DTA), análise de área superficial BET, microscopia eletrônica de varredura com emissão em campo (MEV/FEG) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Em ambos os modos de dispersão a estrutura da zeólita 4A pura foi obtida com alto grau de cristalinidade em 70% dos experimentos, nos outros 30% foram obtidos materiais com baixa cristalinidade ou com misturas de fases, apresentando também a estrutura da zeólita Sodalita. As variáveis de síntese mais importantes para se obter a estrutura da zeólita 4A foram relação Si/Al e a temperatura de cristalização para a agitação mecânica. E para a agitação ultrassônica, o aumento da temperatura de síntese levou a uma mistura de fases zeolíticas A e Sodalita. As análises de área superficial BET mostraram que os experimentos apresentaram elevadas áreas superficiais. E as análises por microscopia eletrônica de transmissão evidenciaram a presença de cristais com morfologia diferenciada, com um tamanho de partícula médio de cerca de 100 nm. Diante da importância de obtenção de zeólitas com características específicas, o controle durante a síntese e o ajuste de variáveis podem levar a materiais com propriedades distintas.

Abstract : Zeolites are crystalline hydrated aluminosilicates with defined morphology and pore size. Many zeolitic structures were synthesized using different methodologies, among them, reverse microemulsion. Reverse microemulsion is a system in which nanometric drops of water dispersed in oil act as nanoreactors. In this work, the synthesis of zeolite 4A via reverse microemulsion was investigated, using two experimental designs with different combinations and types of dispersion, in which the variables studied were Si/Al ratio, temperature and reaction time. For the preparation of the microemulsion two types of dispersion, mechanical and ultrasonic agitation, were tested. The set variables were varied as following: Si/Al ratio: 1.9, 2.2 and 2.4; temperature: 60 oC, 70 oC and 75 oC; time span: 6h, 7h and 8h. The products obtained were characterized by the techniques of XRD, FTIR, thermogravimetric analysis (TG/DTG), BET surface area analysis, scanning electron microscopy with field emission (SEM/FEG) and transmission electron microscopy (TEM). In both dispersion types, pure zeolite 4A structure was obtained with a high degree of crystallinity in 70% of the experiments. In the other 30%, low crystallinity materials or phases mixture were obtained, although still presenting the sodalite zeolite structure. In the experimental design with mechanical agitation, the most important synthesis variables to obtain the structure of zeolite 4A, were Si/Al ratio and the crystallization temperature. In the experimental design with ultrasonic shaking, the increase in the synthesis temperature led to a mixture of zeolitic phase A and Sodalite. The BET surface area analyzes showed that the experiments had high surface areas. The analysis by transmission electron microscopy showed the presence of crystals with differentiated morphology, with an average particle size of about 100 nm. Considering the importance of obtaining zeolites with specific characteristics, the control during the synthesis process and adjustment of variables may lead to materials with differentiated properties.