Oxidação catalítica da água: catalisadores organometálicos de ferro

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Preparação de nanofibras de carbono dopadas para utilização como catalisadores em electroxidação

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Alumina recoberta por carbono como suporte de catalisadores de hidrodessulfurização

O presente trabalho consistiu no estudo do uso do etilenoglicol como fonte de carbono visando o recobrimento de uma alumina comercial, produzindo uma alumina recoberta por carbono (ARC). Os materiais preparados foram utilizados como suporte de molibdénio e usados na reação modelo de HDS do tiofeno. De modo a avaliar a influência da fonte de carbono na atividade e seletividade dos catalisadores preparados, foi estudada a variação da temperatura de carbonização e a variação do número de monocamadas teóricas de carbono impregnadas na superfície da γ-alumina. Os diferentes suportes e catalisadores sintetizados foram caraterizados por análise da cor, difração de raios X (DRX), fisissorção de N2, espetroscopia Raman, espetroscopia de refletância difusa na região do IV com transformada de Fourier (DRIFTS), Dessorção a temperatura programada (TPHe) e avaliação catalítica. Os resultados mostraram que com uma monocamada teórica, e para temperaturas inferiores a 700 ºC, a carbonização da fonte de carbono foi incompleta e que apenas para a temperatura de 700 ºC se originou carbono amorfo. Porém, verificou-se ainda que uma monocamada teórica de carbono não foi suficiente para recobrir a superfície da alumina, o que originou a necessidade de estudar a variação do número de monocamadas teóricas. A variação do número de monocamadas teóricas de carbono permitiu concluir que com um número inferior a 3 monocamadas teóricas não se verificou qualquer alteração nas propriedades da alumina. A impregnação de 3, 4, ou 5 monocamadas teóricas foi suficiente apenas para diminuir a área específica, porém não foi possível recobrir totalmente a superfície do suporte. Estes resultados indicam que o motivo pelo qual não foi possível recobrir a superfície do suporte se deve provavelmente à natureza da fonte de carbono utilizado, o etilenoglicol.

Optimização de catalisadores básicos provenientes de casca de ovo activos na produção de biodiesel

Uma das dificuldades no que concerne à utilização e produção do biodiesel e que ainda persiste, diz respeito ao recurso a bases fortes como catalisadores num processo homogéneo. Para além destes serem nocivos para o ambiente, possuem o inconveniente de produzirem sabões, os quais dificultam a separação do biodiesel formado. Assim sendo, neste trabalho foi estudada a transesterificação de triglicéridos com metanol, recorrendo a um processo catalítico heterogéneo. Os catalisadores que foram testados são sustentáveis do ponto de vista ambiental e económico, pois foram preparados a partir de casca de ovo. Os catalisadores preparados podem ser agrupados em três diferentes grupos:  ESC1: grupo de amostras catalíticas calcinadas uma vez  ESC2: grupo de amostras catalíticas sujeitas a tratamentos com água durante diferentes tempos  ESCUS: grupo de amostras catalíticas sujeitas ao tratamento em ultrassons durante diferentes tempos Durante o trabalho efectuado, foram realizados testes catalíticos com todos os catalisadores preparados, a fim de perceber a influência das diferentes condições de preparação na actividade catalítica demonstrada para a reacção estudada. Todos os catalisadores preparados e testados laboratorialmente revelaram ser activos na reacção de transesterificação do óleo de soja. No grupo ESC2 foi efectivamente criada porosidade e no grupo ESCUS foram fragmentadas as partículas do catalisador. A fim de perceber a influência da actividade catalítica com as modificações estruturais dos catalisadores, algumas das amostras pertencentes aos diferentes grupos foram caracterizadas mediante difracção de Raio-X (XRD), microscopia electrónica de transmissão (TEM) e caracterização textural através da obtenção das isotérmicas de adsorção e dessorção de azoto. Palavras-chave: Transesterificação; Biodiesel; Actividade Catalítica; Calcinação; Tratamento com água; Tratamento no ultrassons.

Efeito do teor em Y2O3 nos catalisadores suportados de 8%Ni/α-Al2O3 durante a reação de oxidação parcial do Metano para produção de Hidrogénio

Neste trabalho avaliou-se o desempenho de cinco catalisadores de Níquel suportados em α-Alumina, com diferentes teores em Ítria, durante a reação de Oxidação Parcial do Metano para a produção de Hidrogénio: 8%Ni/α-Al2O3, 8%Ni/2%Y2O3.α-Al2O3, 8%Ni/2,5%Y2O3.α-Al2O3, 8%Ni/5%Y2O3.α-Al2O3 e 8%Ni/Y2O3. Foram realizados testes catalíticos numa Unidade de Reação acoplada a um equipamento de análise, microGC. A reação decorreu à temperatura de 800 °C, num reator laboratorial de quartzo, durante 18 horas, com uma mistura pura de CH4 e O2 (Condição Concentrada). Os resultados demonstraram um aumento de atividade para os catalisadores de suporte misto com maior teor em Y2O3. Usando o mesmo procedimento, a reação de OPM foi realizada também para outra mistura reacional de CH4 e O2, mas agora diluída em Hélio (Condição Diluída). Estes resultados permitiram avaliar a velocidade de reação e a atividade dos catalisadores (TOF), para diferentes valores de temperatura, numa situação inicial de ausência de coque. Numa segunda etapa, avaliou-se o desempenho dos mesmos materiais durante 2 horas de reação à temperatura constante de 800 ℃. Finalmente, através da técnica de caraterização de XPS, identificaram-se as espécies presentes na superfície dos catalisadores. Os resultados sugerem que há formação de um composto intermediário NiYO3 formado entre o metal e o promotor Y2O3, conferindo atividade e estabilidade aos catalisadores e reduzindo a deposição de coque. O catalisador com maior teor em Y2O3 (8%Ni/5%Y2O3.α-Al2O3) foi o mais beneficiado com a adição do promotor, demonstrando melhor desempenho para a produção de H2 na Reação de Oxidação Parcial do Metano.

Caracterização da fase activa de catalisadores de Níquel suportados em α-Alumina, utilizando as reacções de desidrogenação e Hidrogenólise do Ciclohexano

A constante melhoria da eficiência energética dos processos industriais actuais é crucial para o contínuo desenvolvimento sustentável da espécie humana. O estudo das reacções de desidrogenação e hidrogenólise do ciclohexano, sobre catalisadores suportados, pode contribuir para um melhor entendimento acerca dos processos de formação e armazenamento de H2, uma das mais promissoras fontes de energia do futuro próximo, assim como para processos actuais tão importantes como a refinação ou o reforming catalítico do petróleo. Escolheu-se estudar as referidas reacções sobre catalisadores de Ni/α-Al2O3, preparados por três métodos distintos e submetidos a diferentes pré-tratamentos, de modo a realçar a dependência das reacções no que se refere às propriedades catalíticas. A maioria dos estudos anteriores sobre estas mesmas reacções recai sobre catalisadores com metais nobres, como a platina ou o paládio, bastante mais dispendiosos que o níquel para aplicações em larga escala. Os precursores e catalisadores previamente preparados foram submetidos à caracterização por diferentes técnicas: Termogravimetria (sob fluxo oxidativo e não oxidativo), Difracção de Raios-X e Quimissorção de H2. O estudo das reacções de desidrogenação e hidrogenólise do ciclohexano realizou-se recorrendo à análise por Cromatografia Gasosa, utilizando dois cromatógrafos distintos (HEWLETT PACKARD 5890 SERIES II, para GC, e 490 Micro GC Agilent, para Micro GC). Pôde concluir-se que o método de preparação dos catalisadores influenciou a actividade para ambas as reacções, assim como os diferentes pré-tratamentos aplicados. No geral, e na gama de temperaturas estudadas (entre 250 e 310º C), os catalisadores preparados pelo método com etilenodiamina evidenciaram maior actividade para a reacção de desidrogenação, sendo que os catalisadores preparados pelo método com etilenoglicol foram os mais activos para a reacção de hidrogenólise.

Estudo do Uso de Hidrotalcites de Mg-Al como Catalisadores Heterogéneos para Produção de Biodiesel

A transesterificação de óleos vegetais ou gorduras animais com um álcool de baixo peso molecular é o principal processo utilizado na produção de biodiesel. Actualmente os processos industriais utilizam catalisadores homogéneos para acelerar a reacção. No entanto a utilização de catalisadores heterogéneos, no processo de transesterificação, tem sido sugerido por vários investigadores pois, são amigos do ambiente e podem ser regenerados e reutilizados portanto possibilitam a utilização de processos contínuos. Neste contexto, a utilização de hidrotalcites Mg-Al, como catalisadores heterogéneos para produção de biodiesel foi investigada neste trabalho experimental. As hidrotalcites com diferentes razões molares Mg/Al (Mg/Al=1, 2, 3 e 4) foram preparadas pelo método de co-precipitação. As diversas matrizes catalíticas obtidas, calcinadas a diferentes temperaturas, foram caracterizadas por difracção de raios X (DRX), análise térmica (TG-DSC), espectroscopia de infravermelhos (MIR), microscopia electrónica de varrimento (SEM) e isotérmicas de adsorção com azoto (BET). Estes catalisadores foram testados na metanólise de óleos vegetais para produzir biodiesel. As hidrotalcites Mg/Al=2, HT2A e HT2B (preparada com metade da quantidade de NaOH) calcinadas a 507 ºC e 700 ºC, respectivamente, foram as que apresentaram melhores resultados ao catalisar a reacção com um rendimento em éster superior a 97%, utilizando 2.5% da massa de catalisador, em relação à massa do óleo, razão molar metanol/óleo igual a 12, temperatura reaccional de 65 ºC durante 4h. Foi também investigada a reutilização do catalisador e o efeito da temperatura de calcinação. Constatou-se que o catalisador hidrotalcite HT2B apresentou melhor comportamento catalítico pois permitiu catalisar a reacção de transesterificação até três ciclos reaccionais, convertendo em ésteres 97%, 92% e 34% no primeiro, segundo e terceiro ciclos reaccionais, respectivamente. A análise de, algumas propriedades do biodiesel obtido como, o índice de acidez, a viscosidade e o índice de iodo mostraram que os resultados obtidos estão dentro dos valores limite recomendados pela norma EN 14214. Em anexo apresenta-se uma comunicação à First International Conference on Materials for Energy, Karlsruhe, 2010.

Modelação cinética da conversão do furfural utilizando catalisadores multifuncionais

A utilização da biomassa como fonte de matéria-prima renovável para a obtenção de biocombustíveis e produtos de consumo pode reduzir os riscos geopolíticos e de segurança energética. As hemiceluloses – um dos principais componentes da biomassa vegetal - são convertidas industrialmente em furfural (Fur) que tem uma vasta gama de aplicações, sendo, por isso, considerado um dos compostos químicos renováveis de base mais importantes para biorefinarias. Este trabalho está relacionado com a valorização química do Fur, inserindo-se no conceito da Biorefinaria e nos objetivos de investigação do laboratório associado CICECO. Foi investigada a conversão catalítica do Fur em determinados bio-produtos de interesse para diversos setores da indústria química. Em particular, alquilfurfuril éteres, ésteres alquil-4-oxopentanoato, 5-metil-2-furanonas, ácido levulínico e gama-valerolactona são importantes para a produção de bio-aditivos para combustíveis, bio-polímeros, agroquímicos, aromas e fragrâncias, solventes, etc. A conversão do Fur nos bio-produtos envolve mecanismos reacionais complexos e requer o uso de catalisadores ácidos e de redução. A realização das múltiplas etapas num único reator é importante em termos de intensificação de processos. Neste trabalho, investigou-se a conversão do Fur em bio-produtos, num reator descontínuo fechado, a 120 ºC, utilizando catalisadores multifuncionais nanocristalinos do tipo zeólito beta contendo centros ativos de zircónio (Zr) e alumínio (Al). Com base numa revisão bibliográfica, propuseram-se dois modelos cinéticos pseudo-homogéneos para a conversão do Fur. Os modelos foram testados por ajuste das equações diferenciais ordinárias, representativas dos balanços às espécies reativas num reator descontínuo isotérmico, aos resultados experimentais de concentração versus tempo do Fur e cada um dos bio-produtos. Os estudos cinéticos foram combinados com os de caracterização dos catalisadores no estudo da influência das propriedades dos materiais nos diferentes passos do mecanismo global. Os centros ácidos de Al e Zr promoveram as reações ácidas e os de Zr eram essenciais para os passos de redução. No geral, as constantes cinéticas aparentes relativas às reações ácidas desejadas aumentaram com a razão Al/Zr dos catalisadores, e as dos passos de redução aumentaram com a diminuição da razão Si/Zr. O aumento da razão Al/Zr simultaneamente promoveu as reações indesejadas, diminuindo o rendimento total dos bio-produtos.

Monte Carlo Study of the Growth of L12 ordered domains in fcc A3B binary alloys

A Monte Carlo study of the late time growth of L12-ordered domains in a fcc A3B binary alloy is presented. The energy of the alloy has been modeled by a nearest-neighbor interaction Ising Hamiltonian. The system exhibits a fourfold degenerated ground state and two kinds of interfaces separating ordered domains: flat and curved antiphase boundaries. Two different dynamics are used in the simulations: the standard atom-atom exchange mechanism and the more realistic vacancy-atom exchange mechanism. The results obtained by both methods are compared. In particular we study the time evolution of the excess energy, the structure factor and the mean distance between walls. In the case of atom-atom exchange mechanism anisotropic growth has been found: two characteristic lengths are needed in order to describe the evolution. Contrarily, with the vacancyatom exchange mechanism scaling with a single length holds. Results are contrasted with existing experiments in Cu3Au and theories for anisotropic growth.

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FCC-yksikön NOx-päästöjen hallinta

Työssä tutkittiin typen oksidien (NOx) päästöjen muodostumista ja NOx-päästöjen poistomenetelmiä leijukatalyyttisessa krakkausyksikössä (FCC). Koeajossa Porvoon öljynjalostamon FCC-yksikössä tutkittiin NOx-päästöjen hallintaa CO-promoottorin (CO:n palamista edistävä lisäaine) annostelun avulla. Kirjallisuusosassa käsiteltiin NOx-päästöjen muodostumista FCC-yksikön regeneraattorissa. Katalyyttisten lisäaineiden vaikutusta NOx-päästöjen muodostumiseen tarkasteltiin laajasti. Katalyyttisten lisäaineiden ohella käsiteltiin muitakin NOx-päästöjen poistomenetelmiä. Koeajojen tarkoituksena oli optimoida FCC-yksikön katalyyttikiertoon annosteltavan CO-promoottorin määrä. CO-promoottorin sisältämä platina lisää NOx-päästöjen muodostumista regeneraattorissa, mutta vähentää jälkipalamista. Jälkipalamisen vuoksi regeneraattorin ylimenolinjan lämpötila nousee. Regeneraattorin ylimenolinjan lämpötila oli CO-promoottorin vähentämistä rajoittava tekijä, NOx-päästöjä pyrittiin vähentämään ilman merkittävää jälkipalamisen kasvua. Tuorekatalyytin platinapitoisuuden pienentäminen vähentää merkittävästi NOx-päästöjä.

Síntese de catalisadores Ziegler-Natta: algumas rotas e suas dificuldades

The Ziegler-Natta catalyst and the polymerization thereof are systems which require careful handling and special treatment of chemicals. In spite of the use of inert atmosphere and dry chemicals, some Ziegler-Natta systems may present low activities or even may deactivate because of unsuitable handling. Some features of the TiCl3 synthesis and its characterization when related to the presence of impurities are described. Evidences of poor handling of chemicals and/or laboratory devices while in synthesis of the catalyst are emphasized. The problems arising from butadiene polymerization and some relevant details in propylene polymerization are also presented with teaching objectives.

Recuperação de metais de catalisadores usados de hidrotratamento (NiMo E CoMo/AL2O3)

This work presents a detailed study of the leaching behavior of deactivated hydrotreating catalysts (CoMo, NiMo/Al2O3) in presence of oxalate and NH4+ ions in various media. The yield of metals recovery may be optimized by adjusting several experimental parameters (time, temperature, etc). Leaching is limited by physical factors (diffusional effects caused by coke) and by the existence of silicate/spinel-like species which are poorly soluble in leaching solutions. Coke may be eliminated by an oxidation step at temperatures between 300-400ºC. Above 400ºC, solubilization of Ni and Co is drastically reduced. 50-90% wt of sulphate species and 15-30% wt of phosphate ions are solubilized during leaching. Silicon (as SiO2) is not solubilized. The best Ni-Co-Mo recoveries are in the 70-90% wt range; Fe recovery may be quantitative, whereas Al leaching may be lower than 5% wt.

Ação promotora do berílio em catalisadores da síntese do estireno

The catalytic dehydrogenation of ethylbenzene in presence of steam is the main commercial route to produce styrene. The industrial catalysts are potassium- and chromia-doped hematite which show low surface areas leading to bad performance and short life. In order to develop catalysts with high areas, the effect of beryllium on the textural properties and on the catalytic performance of this iron oxide was studied. The influence of the amount of the dopant, the starting material and the calcination temperature were also studied. In sample preparations, iron and beryllium salts (nitrate or sulfate) were hydrolyzed with ammonia and then calcinated. The experiments followed a factorial design with two variables in two levels (Fe/Be= 3 and 7; calcination temperature= 500 and 700ºC). Solids without any dopant were also prepared. Samples were characterized by elemental analysis, infrared spectroscopy, surface area and porosity measurements, X-ray diffraction, DSC and TG. The catalysts were tested in a microreactor at 524ºC and 1 atm, by using a mole ratio of steam/ ethylbenzene=10. The selectivity was measured by monitoring styrene, benzene and toluene formation. It was found that the effect of beryllium on the characteristics of hematite and on its catalytic performance depends on the starting material and on the amount of dopant. Surface areas increased due to the dopant as well as the nature of the precursor; samples produced by beryllium sulfate showed higher areas. Beryllium-doped solids showed a higher catalytic activity when compared to pure hematite, but no significant influence of the anion of starting material was noted. It can be concluded that beryllium acts as both textural and structural promoter. Samples with Fe/Be= 3, heated at 500ºC, lead to the highest conversion and were the most selective. However, catalysts prepared from beryllium sulfate are the most promising to ethylbenzene dehydrogenation due to their high surface area which could lead to a longer life.

Atividade e seletividade de catalisadores a base de caulim modificado

Studies of the use of a soil from river Pardo basin located at the Ribeirão Preto region, were realized with the aim of preparing catalysts. A clay, high purity kaolin type, was obtained after purification followed by treatment with acid and then calcined. The activity and selectivity of the catalysts were determined using cycloexene as substrate. The majority of the catalysts obtained yield a conversion higher than 70%.