Síntese e caracterização de zeólitas do tipo ZSM-5 para a adsorção de CO2

Abstract

O presente trabalho tem por objetivo a síntese de zeólitas do tipo ZSM-5 com e sem o uso de direcionador orgânico (TPAOH), em diferentes relações de Si/Al (25; 37,5; 50 e 75), para aplicação em processos de adsorção de CO2. Os adsorventes sintetizados foram caracterizados pelas técnicas de difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDS), espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), adsorção de N2 via método de Brunauer, Emmet e Teller (BET) e análise termogravimétrica (TG/DTG). As zeólitas sintetizadas com direcionador orgânico apresentam a estrutura característica da ZSM-5, de acordo com os resultados obtidos por FTIR e DRX, com elevada área específica, de acordo com resultados obtidos por BET. As micrografias obtidas por MEV mostraram que as zeólitas possuem morfologia esférica e encontram-se agregadas. A análise por EDS revelou a presença de Si, Al, O e Na. O mapeamento mostra que estes elementos estão homogeneamente distribuídos na região analisada. Para as zeólitas sintetizadas sem direcionador orgânico, os resultados mostram uma fase cristalina referente à estrutura da zeólita ZSM-5. A área específica para estas zeólitas é baixa comparada com as zeólitas obtidas com direcionador orgânico. A técnica de MEV mostrou que as partículas formadas possuem forma hexagonal, porém a amostra é bem heterogênea e observam-se regiões sem morfologia definida. A análise por EDS e mapeamento das amostras demonstrou a presença de Si, Al, O e Na uniformemente distribuídos na estrutura da zeólita, com exceção da zeólita com razão Si/Al de 75, a qual possui uma distribuição mais heterogênea. Com o intuito de se obter um material mais cristalino, amostras na razão Si/Al igual a 50, sem direcionador orgânico, foram sintetizadas com tempos maiores de cristalização (mudou-se de 27 horas para 51 e 75 horas). Para tempos maiores que 27 horas identificou-se por DRX, FTIR e MEV, além da ZSM-5, fases referentes a keatite e modernita. As zeólitas com direcionador orgânico e razões de Si/Al iguais a 25, 50 e 75 foram testadas em ensaios de adsorção de CO2. Os resultados obtidos mostram que as mesmas possuem uma grande capacidade de adsorção para o CO2, em torno de 2,7 mmol/g adsorvente para a pressão de 7 bar. A diferença sutil entre a capacidade de adsorção das amostras obtidas com direcionador orgânico nas razões Si/Al de 25, 50 e 75, pode ser explicado pela maior acidez nas zeólitas com menor teor de silício, que leva a uma interação maior com o CO2. As curvas de histerese mostraram que as mesmas podem ser reutilizadas sem perda na capacidade de adsorção para os 3 ciclos testados. A zeólita sem direcionador orgânico na razão Si/Al igual a 50 também foi testada para adsorção de CO2, no entanto sua capacidade de adsorção foi inferior às zeólitas obtidas com direcionador orgânico. Este comportamento pode estar relacionado ao baixo valor de área superficial especifica. Sendo assim, zeólitas do tipo ZSM-5 são promissoras para aplicações como adsorventes na captura de CO2.

This work aims is the synthesis of ZSM-5 type zeolites with and without template (TPAOH), in different ratios of Si/Al (25, 37.5, 50 and 75), for application in CO2 capture processes. The synthesized adsorbents were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), infrared spectroscopy with Fourier transform (FTIR), N2 adsorption method via Branauer, Emmet and Teller (BET) and thermal analysis (TG/DTG). Zeolites synthesized with template show the characteristic structure of ZSM-5, in accordance with the results obtained by FTIR and XRD and high surface area according to the results obtained by BET. The SEM showed that the zeolites present a spherical geometry and are aggregated. The EDS analysis revealed the presence of Si, Al, O and Na. The mapping shows that these elements are homogeneously distributed in the analyzed region. For zeolite synthesized without template, the results show a crystalline phase on the structure of ZSM-5. The surface area result for these zeolites is lower when compared with the zeolites with template. The SEM images showed well defined crystals with hexagonal shape, but the morphology was very heterogeneous. EDS analysis and mapping of the samples showed the presence of Si, Al, O and Na uniformly distributed in the zeolite structure, exception of zeolite with Si/Al ratio of 75, which has a more heterogeneous distribution. In order to obtain a more crystalline material, the samples with Si/Al ratio of 50 without template were synthesized with higher crystallization time (changed from 27 to 51 and 75 hours). Beyond ZSM-5, phases concerning keatite and mordernite were identified by XRD, FTIR and SEM for crystallization times greater than 27 hours. Zeolites with template and Si/Al ratios equal to 25, 50 and 75 were tested for CO2 adsorption. The results show that they have a high adsorption capacity for CO2, approximately 2.7 mmol/g adsorbent to the pressure of 7 bar. The subtle difference between the adsorption capacity for organic samples obtained on the reasons driver Si/Al of 25, 50 and 75, can be explained by the increased acidity of the zeolite with lower Si content, which leads to increased interaction with CO2. The hysteresis curves shown that they can be reused without loss in adsorption capacity for the 3 tested cycles. The zeolite without template and Si/Al ratio of 50 was also tested, however its adsorption capacity was lower than that obtained for the previous samples. This result can be related with a lower surface area and pour crystallinity identified in template-free zeolites. Thus, the ZSM-5 type zeolites are promising for applications as adsorbents in CO2 capture.