Síntese e caracterização de materiais híbridos (PCHs e Organoargilas) com aplicabilidade na adsorção de fenol, benzeno e tolueno

Este estudo avalia o uso de argila do Estado do Acre de natureza esmectítica (argila original) como precursora na síntese de PCHs (Porous Clay Heterostructure) e na organofuncionalização com mercaptopropiltrimetoxisilano (MPTS-Arg) e aplicabilidade desses materiais como adsorventes de fenol, benzeno e tolueno em fase líquida. A síntese de PCHs envolve as seguintes etapas: preparação de organoargila com hexadeciltrimetilamônio (HDTMA-Argila); aumento do espaçamento basal (d₀₀₁) da organoargila usando o cosurfactante octilamina e adição concomitante de uma fonte de Si, como o tetraetilortosilicato (TEOS); lavagens com etanol em HCl, secagem a 60 o C (PCH-60 A e B); calcinação a 500 o C e 700 º C (PCH 500 A/B e PCH 700), com a remoção do surfatante/co-surfactante e consequente substituição destas substâncias orgânicas por prótons que permanecem nas paredes das galerias de pilares de SiO₂ até novo tratamento porventura realizado no PCH. O material MPTS-Arg foi obtido a partir da intercalação de mercaptopropiltrimetoxisilano na argila original sob agitação durante 1 h (Arg-MPTS 1) e na argila original previamente tratada com HCl 1 mol L^-1 e sob agitação durante 2 h (Arg-MPOS 2). Os materiais (argila original, HDTMA-Argila, PCH-60, PCH-500/700 e MPTS-Arg) foram caracterizados por difração de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de varredura acoplado a espectroscopia de raios X por dispersão de energia (MEV/ EDS), espectroscopia de absorção molecular IV com transformada de Fourier (FTIR), técnicas de análises térmicas (DTA_TG) e análises texturais, como as medidas de área superficial específica (ASEBET, ASE_Langmuir), volume total de poros (VTP) e diâmetro médio de poros (DMP). Caracterização complementar por ressonância nuclear magnética no estado sólido acoplada a espectrometria de massa (RMN-M AS) foi realizada para o PCH-500 A. Nos experimentos de adsorção de fenol, benzeno e tolueno foram utilizadas suspensões aquosas dos adsorventes contendo separadamente os adsorvatos. As concentrações de equilíbrio de fenol, tolueno e benzeno foram medidas por espectroscopia de absorção molecular na região ultravioleta, conforme método aceito e aplicado em outros estudos de adsorção. Foram obtidos os seguintes resultados: identificação do argilomineral esmectita na argila natural com espaçamento basal de 1,25nm; intercalação do HDTMA e do MPTS com expansão do d(001) para 1,95nm (HDTMA-Arg 5) e 2,1nm (MPTS-Argila 1h). Após a modificação observou-se através da análise de EDS um decréscimo das concentrações dos elementos Na, Si e Al (%) nas posições interlamelares e aumento na concentração de C. O espectro ²⁹Si MAS NMR do PCH-500 A apresentou sinais químicos dos centro Q₃ Si(OSi)₃OH e Q₄ Si(OSi)₄ que indicam a formação de sílica em sua estrutura. Os PCHs (60 e 500 A) foram classificados como mesoporosos, apresentando ASE_BET entre 417 a 446 m² g^-1 e volume total de poros (cm³ g^-1) = 0,367 - 0,369. O aumento da temperatura de calcinação do PCH 500 para 700 o C (PCH 700) propiciou decréscimos em SBET (305 m² g^-1) e diâmetro médio de poros (0.976 nm). Foi verificado a partir da avaliação das medidas dos diâmetro de poros em PCH 700 que 46% das medidas correspondem a microporos. No estudo do equilíbrio de adsorção foram obtidos os valores de K_L (L mg^-1), K_F (L mg^-1) e q_Max (mg g^-1) nos seguintes processos: (i) adsorção de fenol (1.40; 2.26 e 3.80) e tolueno (145, 7.18 e 135) em PCH-500 A; (ii) adsorção de benzeno (0.33, 41.49 e 69.81) em PCH 500 B; (iii) na adsorção de tolueno em argila-MPOS 1 (1.06, 118.9 e 146) e argila-MPOS 2 (2.1, 92 e 97); (iv) na adsorção de fenol (0.07, 0.48 e 4.44) e benzeno (0.11, 4.95 e 35.8) em HDTA-Arg 5, respectivamente. Os dados obtidos sobre a caracterização dos materiais indicaram que a formação dos PCHs propiciou grande aumento nas concentrações de Si e decréscimo nas concentrações de Al, Fe e outros elementos, devido à delaminação- exfoliação da esmectita original. Foi verificado que os materiais são mais adequados para adsorção de tolueno e benzeno do que fenol.

Reaproveitamento de lama vermelha na obtenção de compostos do tipo hidrotalcita do sistema (Zn-Ni-Cu/Fe-Al)-SO4

Compostos do tipo hidrotalcita, também conhecidos como hidróxidos duplos lamelares (HDLs), do sistema (Zn-Ni-Cu/Fe-Al)-SO₄ foram obtidos por meio de co-precipitação a pH variável (crescente) utilizando lama vermelha (LV) como material de partida devido a sua elevada porcentagem de Fe³⁺ e Al³⁺. Para tal estudo, a LV, previamente caracterizada por FRX e DRX, foi submetida à abertura ácida com HCl_conc. e H₂SO₄ 2N. Para os HDLs obtidos, foram avaliados a influência do tipo de cátion bivalente, da variação do pH de síntese (pH 5, 7, 8, 9, 10 e 12) e da variação de razão molar teórica r = M^II/M^III (2, 3 e 4) na sua estrutura cristalina mediante as seguintes técnicas de caracterização: DRX, FT-IR, MEV/EDS, TG/ATD. Os resultados FRX revelaram que a LV é composta principalmente por Fe₂O₃ (32,80%), Al₂O₃ (19,83%), SiO₂ (18,14%) e Na₂O (11,55%). DRX corrobora os resultados da análise química, visto que foram identificados os minerais: hematita, goethita, gibbsita, sodalita, calcita, anatásio e quartzo. Zn-HDLs mostraram que a o aumento de pH de síntese colabora para um melhor ordenamento cristalino do material, uma vez que os picos se tornam melhor definidos, culminando com a melhor condição experimental em pH 9 e r = 3, cujo HDL foi identificado como o mineral natroglaucocerinita (d~11 Ǻ). Nesses valores de pH, a incorporação de SO₄^2- no espaçamento interlamelar foi favorecida apesar da competição com o CO₂ presente no ar atmosférico no momento da síntese. FT-IR também indica a presença do sulfato. As análises por MEV revelam a presença de cristais muito finos e pequenos, > 2μm, de forma hexagonal que pela análise via EDS indicaram, em sua composição, os elementos Na, Zn, Fe, Al, S, C e O. TG/ATD evidenciaram quatro etapas de perda de massa: desidratação, desidroxilação, desoxidenação e dessulfatação, para os HDLs com melhor ordenamento cristalino. Para os materiais menos cristalinos, as duas primeiras etapas ocorrem simultaneamente. Ni-HDLs apresentaram três picos com posições próximas às do mineral carrboydita a partir de pH igual a 7. No entanto, a partir de pH 9, surge hematita como uma fase acessória. Também há disputa entre os ânions SO₄^2- e CO₃^2- no espaço interlamelar, visto que os valores de espaçamento basal d diminuem (de aproximadamente 9,5 até 7,8 Ǻ). Tal fato também foi observado pelo FT-IR. As análises por MEV mostraram aglomerados de minerais anédricos menores que 2μm que, via EDS indicaram composição Ni, Fe, Al, S, C e O. As análises de TG/ATD apresentaram o mesmo comportamento do sistema anterior, evidenciaram as etapas de desidratação, desidroxilação, desoxigenação e dessulfatação e, para os materiais menos cristalinos, as duas primeiras etapas também ocorrem simultaneamente. Cu-HDLs, em valores de pH entre 7 e 10, não cristalizaram a fase HDL tal qual verificada para os sistemas contendo zinco ou níquel. O cobre distorce a estrutura do octaedro causando o chamado Efeito Jahn-Teller: distorção tetraédrica no ambiente octaédrico. As análises por FT-IR apresentaram o mesmo comportamento dos sistemas anteriores, apesar de o material se apresentar amorfo via DRX. O MEV também revela aglomerados amorfos que, de acordo com o EDS, indicaram em sua composição os elementos Cu, Fe, Al, S, C e O. As análises de TG/ATD apresentaram o mesmo comportamento que os materiais menos cristalinos dos dois sistemas anteriores, para os quais as etapas de desidratação e desidroxilação ocorreram simultaneamente. Mt-HDLs (mistura de Zn²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺), apresentaram comportamento semelhante aos HDLs de níquel, com quatro picos em posições próximas aos da carrboydita a partir de pH igual a 7. A disputa entre sulfato e carbonato também se repete, visto que os valores de espaçamento basal d diminuem (de aproximadamente 9,5 até 7,9 Ǻ), o que também pode ser notado nos espectros de FT-IR. O MEV dessas amostras também apresentaram aglomerados com tamanhos menores que 2μm e, via EDS, indicaram em sua composição os elementos Zn, Cu, Ni, Fe, Al, S, C e O. Aqui também o comportamento das curvas TG/ATD foi semelhante aos materiais pouco cristalinos obtidos anteriormente.

Organofilização de uma Mg-bentonita da bacia do Parnaíba-Sul do Maranhão e sua utilização em poli (metacrilato de metila)

Bentonitas são argilas que tem como seu principal constituinte argilominerais do grupo da esmectita, predominantemente montmorillonita. De acordo com o cátion predominante no espaço intercamada da esmectita, a bentonita pode ser classificada como sódica, cálcica ou magnesiana. Essas argilas possuem vasta aplicação industrial, como fluidos de perfuração, pelotização, moldes de fundição, dentre outros. Para algumas aplicações mais específicas e que agregam maior valor ao produto final, como na síntese de nanocompósitos polímero/argila, faz-se necessário à intercalação de íons orgânicos na intercamada do argilomineral. No Brasil, a produção industrial de argilas organofílicas é pequena e voltada para os mercados de tintas, graxas e resinas de poliéster. Empresas do setor de bentonitas, que ainda não estão produzindo esse tipo de material, vêm mostrando crescente interesse nesta aplicação. Dentro desse contexto, este trabalho buscou avaliar o potencial da Bentonita Formosa, uma Mg-bentonita recentemente descrita e relativamente abundante no nordeste do Brasil, na produção de argilas organofílicas e sua aplicação em síntese de nanocompósitos polímero/argila. Para isso, foram realizadas sínteses variando a concentração dos íons surfactantes hexadeciltrimetilamônio (HDTMA⁺) e dodeciltrimetilamônio (DTMA⁺) em 0,7, 1,0 e 1,5 vezes o valor de CEC, com tempo de reação de 12 horas e variação de temperatura de 25 ºC e 80 ºC. A Mg-Bentonita in natura e ativada com carbonato de sódio foi utilizada como material de partida. Tanto o material de partida como as argilas organofílicas obtidas foram caracterizadas por DRX, DTA/TG e IV. As argilas que apresentaram melhores resultados de intercalação foram utilizadas nas proporções de 1%, 3% e 10% para a síntese de nanocompósitos poli(metacrilato de metila) (PMMA)/argila. As análises de DRX confirmaram a intercalação dos íons orgânicos no espaço intercamada da Mg-esmectita com e sem ativação. Com os resultados de IV foi possível observar que a razão de confôrmeros gauche/trans diminui com o aumento do espaçamento basal. Os resultados de DTA/TG confirmaram a estabilidade térmica das argilas organofílicas à temperatura máxima de 200 °C, o que possibilita a utilização desse material em síntese de nanocompósitos polímero/argila obtidos por processo de fusão. A análise de DRX confirmou a intercalação do PMMA no espaço intercamada da Mg-esmectita em todos os nanocompósitos produzidos. Com as análises de DSC foi possível observar o aumento da temperatura de transição vítrea para todos os nanocompósitos, quando comparados com PMMA puro. Com isso, é possível concluir que a Mg-Bentonita pode ser intercalada com íons alquilamônio, sem a necessidade prévia de ativação sódica, formando argilas organofílicas, assim como sua utilização em síntese de nanocompósitos. Essa possibilidade de utilização da Mg-bentonita in natura pode representar uma importante diferença em termos de custos de processo, na comparação com as bentonitas cálcicas existentes no Brasil, ou mesmo as importadas, que precisam ser ativadas durante o beneficiamento. Finalmente, acredita-se que a pesquisa deve avançar com a avaliação das propriedades mecânicas dos nanocompósitos produzidos neste trabalho, visando as diferentes possibilidades de aplicações desses materiais.

Synthesis of polycationic bentonite-ionene complexes and their benzene adsorption capacity

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Fenton-like processes and adsorption using iron oxide-pillared clay with magnetic properties for organic compound mitigation

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Effect of the intercalated cation-exchanged on the properties of nanocomposites prepared by 2-aminobenzene sulfonic acid with aniline and montmorillonite

Polymer/montmorillonite nanocomposites were prepared. Intercalation of 2-aminobenzene sulfonic acid with aniline monomers into montmorillonite modified by cation was followed by subsequent oxidative polymerization of monomers in the interlayer spacing. The clay was prepared by cation exchange process between sodium cation in (M–Na) and copper cation (M–Cu). XRD analyses show the manifestation of a basal spacing (d-spacing) for M–Cu changes depending on the inorganic cation and the polymer intercalated in the M–Cu structure. TGA analyses reveal that polymer/M–Cu composites is less stable than M–Cu. The conductivity of the composites is found to be 103 times higher than that for M–Cu. The microscopic examinations including TEM picture of the nanocomposite demonstrated an entirely different and more compatible morphology. Remarkable differences in the properties of the polymers have also been observed by UV–Vis and FTIR, suggesting that the polymer produced with presence of aniline has a higher degree of branching. The electrochemical behavior of the polymers extracted from the nanocomposites has been studied by cyclic voltammetry which indicates the electroactive effect of nanocomposite gradually increased with aniline in the polymer chain.

Synthesis and characterisation of pillared clay catalysts for hydro-cracking of heavy liquid fuels

A range of chromia pillared montmorillonite and tin oxide pillared laponite clay catalysts, as well as new pillared clay materials such as cerium and europium oxide pillared montmorillonites were synthesised. Methods included both conventional ion exchange techniques and microwave enhanced methods to improve performance and/or reduce preparation time. These catalytic materials were characterised in detail both before and after use in order to study the effect of the preparation parameters (starting material, preparation method, pillaring species, hydroxyl to metal ratio etc.) and the hydro cracking procedure on their properties. This led to a better understanding of the nature of their structure and catalytic operation. These catalysts were evaluated with regards to their performance in hydrocracking coal derived liquids in a conventional microbomb reactor (carried out at Imperial College). Nearly all catalysts displayed better conversions when reused. The chromia pillared montmorillonite CM3 and the tin oxide pillared laponite SL2a showed the best "conversions". The intercalation of chromium in the form of chromia (Cr203) in the interlayer clearly increased conversion. This was attributed to the redox activity of the chromia pillar. However, this increase was not proportional to the increase in chromium content or basal spacing. In the case of tin oxide pillared laponite, the catalytic activity might have been a result of better access to the acid sites due to the delaminated nature of laponite, whose activity was promoted by the presence of tin oxide. The manipulation of the structural properties of the catalysts via pillaring did not seem to have any effect on the catalysts' activity. This was probably due to the collapse of the pillars under hydrocracking conditions as indicated by the similar basal spacing of the catalysts after use. However, the type of the pillaring species had a significant effect on conversion. Whereas pillaring with chromium and tin oxides increased the conversion exhibited by the parent clays, pillaring with cerium and europium oxides appeared to have a detrimental effect. The relatively good performance of the parent clays was attributed to their acid sites, coupled with their macropores which are able to accommodate the very high molecular mass of coal derived liquids. A microwave reactor operating at moderate conditions was modified for hydro cracking coal derived liquids and tested with the conventional catalyst NiMo on alumina. It was thought that microwave irradiation could enable conversion to occur at milder conditions than those conventionally used, coupled with a more effective use of hydrogen. The latter could lead to lower operating costs making the process cost effective. However, in practice excessive coke deposition took place leading to negative total conversion. This was probably due to a very low hydrogen pressure, unable to have any hydro cracking effect even under microwave irradiation. The decomposition of bio-oil under microwave irradiation was studied, aiming to identify the extent to which the properties of bio-oil change as a function of time, temperature, mode of heating, presence of char and catalyst. This information would be helpful not only for upgrading bio-oil to transport fuels, but also for any potential fuel application. During this study the rate constants of bio-oil's decomposition were calculated assuming first order kinetics.

Organometallic precursors for pillared clay synthesis

The synthetic hectorite, laponite has been used within the paper industry to produce mildly conducting paper for use in electrographic printing. The aim of this research was to modify laponite in order to improve the electrical conductivity. In a continuation of a previous investigation involving organotin intercalation of laponite, the organotin precursor (p-CH3,OC6H4)4Sn was synthesised and characterised using Mass Spectroscopy, Infrared Spectroscopy and elemental analysis. Results of intercalation with this compound and a range of organobismuth and organoantimony compounds suggested that a halide content within the precursor was necessary for improvement in conductivity to be observed. Organometallic intercalation of a range of organotellurium compounds with laponite provided evidence that a hydrolysis reaction on the clay surface followed by the release of hydrochloric acid was an important first step if a reaction was to occur with the clay. Atomic Absorption Spectroscopy studies have shown that the acid protons underwent exchange with the interlayer sodium ions in the clay to varying degrees. Gas-liquid Chromatography and Infrared Spectroscopy revealed that the carbon-tellurium bond remained intact. Powder X-ray diffraction revealed that there had been no increase in the basal spacing. The a.c. conductivity of the modified clays in the form of pressed discs was studied over a frequency range of 12Hz - 100kHz using two electrode systems, silver paste and stainless steel. The a.c. conductivity consists of two components, ionic and reactive. The conductivity of laponite was increased by intercalation with organometallic compounds. The most impressive increase was gained using the organotellurium precursor (p-CH3OC6H4)2TeCl2. Conductivity investigations using the stainless steel electrode where measurements are made under pressure showed that in the case of laponite, where poor particle-particle contact exists at ambient pressure, there is a two order of magnitude increase in the measured a.c. conductivity. This significant increase was not seen in modified laponites where the particle-particle contact had already been improved upon. Investigations of the clay surface using Scanning Electron Microscopy suggested that the improvement in particle-particle contact is the largest factor in the determination of the conductivity. The other important factor is the nature and the concentration of the interlayer cations. A range of clays were synthesised in order to increase the concentration of sodium interlayer cations. A sol-gel method was employed to carry out these syntheses. A conductivity evaluation showed that increasing the concentration of the sodium cations within the clay led to an increase in the conductivity.

Obtenção de organovermiculitas utilizando tensoativos e microemulsões e suas aplicações na separação de isômeros do Xileno

Surfactants are versatile organic compounds that have, in a single molecule, double chemical affinity. The surfactant molecule is composed by a hy drophobic tail group, a hydrocarbon chain (linear, branched, or mixed), and by a hydrophilic head group, which contains polar groups that makes it able to be applied in the organophilization process of natural clays. Microemulsions are microheterogeneous b lends composed by: a surfactant, an oily phase (non - polar solvent), an aqueous phase, and, sometimes, a co - surfactant (short - chain alcohol). They are systems with thermodynamic stability, transparent, and have high solubility power. Vermiculite is a clay m ineral with an expandable crystalline structure that has high cation exchange capacity. In this work vermiculite was used to obtain organoclays. The ionic surfactants dodecyl ammonium chlori de (DDAC) and cetyltrimethylammonium bromide (C 16 TAB) were used in the organophilization process. They were used as surfactant aqueous solutions and, for DDAC, as a microemulsion system. The organoclays were used to promote the separation of binary mixtures of xylene isomers (ortho - and meta - xylene). Dif ferent analytical techniques were used to characterize microemulsion systems and also the nanoclays. It was produced a water - rich microemulsion system with 0.92 nm droplet average diameter. The vermiculite used in this work has a cationic exchange capacity of 172 meq/100g and magnesium as main cation (24.25%). The basal spacing of natural vermiculite and organo - vermiculites were obtained by X - ray Diffraction technique. The basal spacing was 1.48nm for natural vermiculite, 4.01nm for CTAB - vermiculite (CTAB 4 ) , and 3.03nm for DDAC - vermiculite (DDAC M1A), that proves the intercalation process. Separation tests were carried out in glass columns using three binary mixtures of xylene (ortho - xylene and meta - xylene). The results showed that the organovermiculite pre sented an enhanced chemical affinity by the mixture of hydrocarbons, when compared with the natural vermiculite, and also its preference by ortho - xylene. A factorial experimental design 2 2 with triplicate at the central point was used to optimize the xylen e separation process. The experimental design revealed that the initial concentration of isomers in the mixture and the mass of organovermiculite were the significant factors for an improved separation of isomers. In the experiments carried out using a bin ary mixture of ortho - xylene and meta - xylene (2:1), after its percolating through the organovermiculite bed (DDAC M1), it was observed the preference of the organoclay by the ortho - xylene isomer, which was retained in greater quantity than the meta - xylene o ne. At the end of the treatment, it was obtained a final concentration in meta - xylene of 47.52%.

Síntese de zeólitas e argilas ácidas pilarizadas a partir de matérias primas naturais

Structural changes in waste for zeolites synthesis are subject of many studies carried out in the synthesis of molecular sieves. These materials are named molecular sieves because they have well defined pore sizes and they have the capacity of select molecules by its size. In this work, it was studied the synthesis processes of two types of molecular sieves: pillared acid clays using as starting material one natural montmorillonite clay and the synthesis of zeolites from a silico-aluminous residue. This residue is a byproduct of the extraction of lithium -spodumene. The preparation of pillared acid clays was performed in two steps: 1° acid treatment of clay samples (time and temperature studies) and 2°pilarization of them with Al13 (Keggin ion). The temperature and acid concentration affect the removal of cations in the structure and porosity of the material obtained. The analysis of X-ray diffraction (XRD) and infrared spectroscopy (IR), showed that increasing the severity of the acid treatment compromises the structural material. Also the pore size distribution is approximately uniform. Despite presenting a structural disorganization, the samples were pillared. As evidenced by XRD increasing the basal spacing, specific area and uniform porosity by adsorption of N2. Regarding the microporous molecular sieves were synthesized zeolites A and NaP1 from a silico-aluminous residue, a byproduct of extracting lithium. The temperature and time of agitation during the synthesis were the most important factors for obtaining zeolite A. The aging of the gel and the highest crystallization time promoted the formation of zeolite NaP1 using a Si / Al ratio = 3.2

Narrow row spacing and high plant population to short height castor genotypes in two cropping seasons

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Optimizing row spacing and plant population arrangement for a new short-height castor genotype in fall-winter

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Numerical analyses of crack spacing due to shrinkage in reinforced concrete slabs

Shrinkage cracking is commonly observed in concrete flat structures such as highway pavements, slabs, and bridge decks. Crack spacing due to shrinkage has received considerable attention for many years [1-3]. However, some aspects concerning the mechanism of crack spacing still remain un-clear. Though it is well known that the interval of the cracks generally falls with a range, no satisfactory explanation has been put forward as to why the minimum spacing exists.