8º Encontro Nacional de Tecnologia Química
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.