Síntese e caracterização da zeólita y hierárquica assistida por biossurfactante

Abstract

Zeólitas são aluminossilicatos hidratados formados por tetraedros de silício e alumínio ligados a átomos de oxigênio. Podem ser obtidas de forma natural ou sintetizadas em laboratório com maior precisão e controle dos parâmetros. O processo convencional de síntese denomina-se processo hidrotermal, na qual ocorre a conversão de materiais sólidos amorfos, como silicato de sódio e aluminato de sódio, em uma estrutura cristalina de longo alcance. O método assemelha-se ao processo natural de obtenção de zeólitas formadas a partir de precipitações de fluidos contidos nos poros de algumas rochas sob condições adequadas de temperatura, pressão, atividade das espécies iônicas e pressão parcial da água. As zeólitas possuem uma estrutura microporosa característica; porém, a presença exclusiva de microporos impõe restrições e limita a difusão de moléculas maiores que o diâmetro crítico da zeólita. Para contornar esse impasse, surge o desenvolvimento de zeólitas hierárquicas, cuja estrutura contempla, além dos microporos inerentes, outro nível de poro (meso ou macroporos), conferindo porosidade secundária à mesma. O processo para inserir porosidade adicional em zeólitas pode ser realizado através da abordagem bottom-up, o qual faz uso de um template durante a síntese hidrotérmica do material, posteriormente removido através da calcinação. Contrariamente, a rota top-down ou pós-síntese cria porosidade adicional através da remoção seletiva de átomos de silício ou alumínio da estrutura. No presente trabalho, sintetizou-se a zeólita Y hierárquica através do uso de um biossurfactante, utilizado como agente direcionador de estrutura. Para tal, utilizou-se um biossurfactante glicolipídico sintetizado pelo microrganismo Pseudozyma tsukubaensis, conhecido por MEL-B. A zeólita hierárquica foi caracterizada por uma série de técnicas, incluindo: difração de raios X (DRX), análise de área superficial específica (fisissorção de N2) (BET), espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Os resultados obtidos foram satisfatórios, tendo em vista que a zeólita Y apresentou picos muito próximos do padrão fornecido pela International Zeolite Association (IZA), comprovando a eficácia do processo hidrotermal. Além disso, pela análise de espectroscopia de infravermelho, obteve-se bandas características da zeólita Y, o incremento no diâmetro de poro pela análise BET foi significativo, obtendo-se hierarquia de poros e elevada área superficial. O MEL-B provou ser uma alternativa mais ecológica e promissora em relação aos métodos convencionais de hierarquização, pois é possível obter porosidade adicional com pequenas quantidades de agente direcionador de estrutura (0,3 g). Por fim, outra vantagem associada ao uso do MEL-B é a obtenção de hierarquia de poros utilizando menor temperatura de calcinação em relação aos surfactantes sintéticos, acarretando menor consumo de energia e maior economia no processo.

Abstract: Zeolites are hydrated aluminosilicates formed by silicon and aluminum tetrahedrons bonded to oxygen atoms. They can be obtained naturally or synthesized in the laboratory with greater precision and parameter control. The conventional synthesis process is called a hydrothermal process in which solid amorphous materials, such as sodium silicate and sodium aluminate, are converted into a long-range crystalline structure. The method is similar to the natural process for obtaining zeolites formed from precipitation of fluids contained in the pores of some rocks under suitable conditions of temperature, pressure, ionic species activity and partial water pressure. Zeolites have a characteristic microporous structure, but the exclusive presence of micropores imposes restrictions and limits the diffusion of molecules larger than the critical diameter of the zeolite. To get around this impasse, there is the development of hierarchical zeolites, whose structure includes, in addition to the inherent micropores, another level of pore (meso or macropores), giving it secondary porosity. The process to insert additional porosity in zeolites can be carried out through the bottom-up approach, which makes use of a template during the hydrothermal synthesis of the material, later removed through calcination. Conversely, the top-down or post-synthesis route creates additional porosity by selectively removing silicon or aluminum atoms from the structure. In the present work, the hierarchical Y zeolite was synthesized through the use of a biosurfactant, used as a structure-directing agent. For this purpose, a glycolipid biosurfactant synthesized by the microorganism Pseudozyma tsukubaensis, known as MEL-B, was used. The hierarchical zeolite was characterized by a number of techniques, including: X-ray diffraction (XRD), specific surface area analysis (N2 physisorption) (BET), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The results obtained were satisfactory, considering that zeolite Y presented peaks very close to the standard provided by the International Zeolite Association (IZA), proving the effectiveness of the hydrothermal process. In addition, by infrared spectroscopy analysis, characteristic bands of zeolite Y were obtained, the increment in pore diameter by BET analysis was significant, obtaining pore hierarchy and high surface area. MEL-B proved to be a more ecological and promising alternative to conventional hierarchization methods, as it is possible to obtain additional porosity with small amounts of structure-directing agent (0.3 g). Finally, another advantage associated with the use of MEL-B is the achievement of a pore hierarchy using a lower calcination temperature compared to synthetic surfactants, resulting in lower energy consumption and greater economy in the process.