Desenvolvimento de materiais estruturados hierarquicamente a partir de zeólitas do tipo Y

Abstract

Este trabalho buscou obter materiais hierarquicamente estruturados para aplicação em processos de adsorção de contaminantes. Os materiais selecionados para realização de modificações estruturais foram zeólitas, aluminossilicatos naturais e sintéticos, do tipo Y. Conhecidos como peneiras moleculares, tais materiais, com estruturas microporosas e mesoporosas, despertam grande interesse da comunidade científica em função do grande número de estruturas e composições químicas possíveis. Nesta direção, o objetivo principal deste estudo foi a avaliação de diferentes processos de obtenção e aumento da mesoporosidade em quatro tipos de zeólitas Y, comerciais (CBV, CBV100, CBV720) e sintetizada (ER-ZeoY), visando seu uso como adsorvente para a remoção de contaminantes em fase líquida. Para concretizar este objetivo e obter materiais mesoporosos otimizados, diferentes processos foram avaliados, a saber: utilização de líquido iônico (cloreto de 1-hexadecil-3-metillimidazólio) como agentes direcionadores de estrutura, tratamento químico com reagentes básicos ou ácidos (dessilicação e desaluminação) e síntese via moldagem supramolecular. Estudaram-se as composições químicas e mineralógicas das zeólitas comerciais e sintetizada através de um conjunto de técnicas de caracterização tais como a fluorescência de raios X (FRX) para avaliar a composição dos materiais qualitativa e quantitativamente, a difração de raios X (DRX), que possibilita a verificação da cristalinidade, e a técnica de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), a fim de identificar os grupos funcionais. Avaliou-se também a área superficial específica através da técnica de BET. A morfologia dos materiais antes e após os processamentos, foi analisada pela técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de varredura com emissão de campo (MEV/FEG) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Os resultados preliminares indicaram que houve alteração microestrutural em todas as zeólitas Y processadas. Os processos de desaluminação e dessilicação provocaram a desintegração da cristalinidade em algumas zeólitas. No entanto, em algumas amostras houve um aumento do tamanho do poro. O tratamento com líquido iônico proporcionou direcionamento na estrutura porosa. As zeólitas tratadas via moldagem supramolecular foram as que apresentaram os melhores indicativos de aumento da mesoporosidade. Por fim, a capacidade de remoção de poluentes em fase líquida em todas as zeólitas estudadas foi avaliada através de ensaios de adsorção, utilizando o corante azul de metileno como poluente modelo. Através do estudo de adsorção, observou-se que as zeólitas tratadas por meio da técnica de moldagem supramolecular apresentaram os melhores resultados de adsorção do corante. Por outro lado, a aplicação da técnica de direcionamento de estrutura por meio de líquido iônico apresentou-se pouco eficiente para adsorção do reagente testado. Dentre as zeólitas processadas pelas técnicas de tratamentos químicos por desaluminação e dessilicação, a zeólita CBV720 apresentou os melhores resultados de adsorção. A proposta de tese apresenta caráter inédito, pois demonstra diferentes possibilidades para o melhoramento da estrutura porosa de diferentes zeólitas do tipo Y.<br>

Abstract: This work focused on the production of hierarchically structured materials, based on treatments performed in Y zeolites, natural or synthetic aluminosilicates, to be applied as adsorbent for contaminant removal. Broadly known as molecular sieves, these materials, typically characterized by microporous and mesoporous structures, has attracted significant interest in the scientific community due to the large range of structural configurations and chemical compositions achievable. In particular, different process applied to the production and enhancement of mesoporosity in four different types of Y zeolites, commercial (CBV, CBV100, CBV720) and synthetic (ER-ZeoY), aiming their application as adsorbents for the removal of contaminants in liquid phase. The following process were evaluated: ionic liquid (1-hexadecyl-3-methylimidazole chloride) as structural drivers, chemical treatment using basic or acid reagents (desilication and dealumination) and synthesis trough supramolecular molding. The materials were characterized prior and after the treatments by X-ray fluorescence (XRF), aiming to determine their composition qualitatively and quantitatively, X-ray diffraction (XRD), allowing to determine the material?s crystallinity, and the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), for the identification of the functional groups. Moreover, the specific surface area was determined through the BET technique, and the morphology of the unprocessed and processed samples was evaluated using scanning electron microscopy (SEM), scanning electron microscopy with field emission electron gun (SEM/FEG) and transmission electron microscopy (TEM). The preliminary results indicate that there was microstructural modification in all Y zeolite tested. The processes involving desilication and dealumination of the zeolites led to loss of crystallinity in some of the samples. However, an increase in pore diameter was verified in some of the materials evaluated. The treatment using ionic liquid resulted in a guided porous structure. The zeolites treated through supramolecular molding presented the best performance in terms of mesoporosity enhancement. Finally, the performance of all tested materials as adsorbents for the removal of pollutants in liquid phase was investigated, using methylene blue (MB) as model species. The zeolite treated through supramolecular molding presented the best performance in the adsorption essays. On the other hand, the zeolites treated with ionic liquid performed poorly as adsorbents for MB in aqueous phase. Furthermore, the zeolite CBV720 presented the best adsorption performance among the samples treated through the desilication and dealumination techniques. Thus, this thesis presents novel contributions, indicating different routes for the enhancement of the porous structure of Y zeolites.