Catálise de hydrocraking baseado em zeólitos

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Aplicação de zeólitos hierárquicos a reacções de acilação de Friedel-Crafts

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Criação de mesoporos em zeólitas ZSM-5, mordenita e ferrierita e análise de seu efeito na reação de hidroisomerização do n-heptano

As zeólitas têm recebido grande atenção acadêmica e industrial devido às suas características ácidas e estruturais. A estrutura da zeólita pode ser utilizada para conduzir uma reação catalítica na direção do produto desejado, evitando assim reações paralelas. Porém, essa mesma estrutura cria restrições difusivas com relação ao acesso aos sítios ativos no interior dos microporos. Neste trabalho foram estudados dois métodos de criação de mesoporos (térmico e básico) com o intuito de modificar a acessibilidade aos sítios catalíticos das zeólitas. A reação de hidroisomerização do n-heptano foi selecionada para avaliar as zeólitas após a criação de mesoporosidade. O tratamento térmico (via calcinação em temperaturas elevadas) foi utilizado para as zeólitas do tipo ZSM-5, Mordenita e Ferrierita, tendo sido observado um aumento pouco significativo na mesoporosidade. Este tratamento promoveu, porém, uma significativa desaluminização das amostras, acompanhada da formação de quantidades importantes de espécies de Al extra-rede (ALER), o que se refletiu num bloqueio parcial dos mesoporos gerados e dos microporos preexistentes, e na redução na densidade de sítios ácidos das amostras. A ampliação da escala do tratamento térmico (aumento da quantidade tratada de 2 g para 30 g) não se mostrou reprodutível, gerando menos mesoporos do que o observado no preparo em pequena escala. O tratamento básico (via dessilicação por meio de NaOH), ao contrário do anterior, promoveu a formação de mesoporos gerando menos quantidade de ALER e se mostrou mais reprodutível quando da ampliação da escala. O desempenho dos catalisadores Pt/Al2O3+zeólita na reação de hidroisomerização do n-heptano foi influenciado pela densidade de sítios ácidos fortes e pela estrutura porosa da zeólita. Com relação ao efeito dos tratamentos térmico e básico sobre o desempenho dos catalisadores à base de ZSM-5, os resultados mostraram que o comportamento do catalisador submetido ao tratamento básico (Pt/Al2O3+BZSM-5/85-2) foi similar ao do tratado termicamente (Pt/Al2O3+TZSM-5/1000-2) com relação à distribuição de produtos na reação de hidroisomerização do n-heptano, particularmente com relação aos produtos leves e aos isômeros monorramificados. No entanto, a presença mais significativa de mesoporos na zeólita após tratamento básico (BZSM-5/85-2), se refletiu num leve favorecimento à formação dos isômeros birramificados

Caracterização de novas membranas de titanossilicatos microporosos por ensaios de permeabilidade

O interesse crescente das membranas inorgânicas deve-se à potencial aplicação em novas áreas de investigação e da indústria, e em alternativa a operações mais convencionais. Em particular, as membranas de titanossilicatos oferecem vantagens importantes sobre as de zeólitos, pois podem ser sintetizadas sem agentes estruturantes orgânicos, para evitar a calcinação subsequente usualmente responsável por defeitos irreversíveis, exibem novas possibilidades de substituição isomórfica da matriz, permitindo um ajuste mais fino das propriedades catalíticas e de adsorção, e são capazes de separar misturas com base em diferenças de afinidade e tamanho molecular (efeito de peneiro). Os objectivos principais deste trabalho foram: i) a caracterização dinâmica de membranas do tipo zeolítico sintetizadas no Laboratório Associado CICECO, realizando-se experiências de permeação com gases puros e misturas; ii) o desenvolvimento e validação de novos modelos para a transferência de massa multicomponente através de membranas porosas pela abordagem de Maxwell-Stefan, tendo em conta os mecanismos específicos encontrados, particularmente a contribuição por difusão superficial; e iii) a modelação dos pontos experimentais medidos, bem como dados compilados da literatura. De forma a realizar os ensaios de permeação, desenhou-se, montou-se e testou-se uma instalação experimental. Para gases puros, os objectivos principais foram a medição de permeâncias a temperatura constante, por variação da pressão transmembranar r ( ΔP ), e de permeâncias a temperatura programada, conduzidas a ΔP constante. Seguidamente, calcularam-se as selectividades ideais. Em relação a misturas, a determinação de selectividades reais requer as fracções molares no permeado e no retido. Na globalidade, estudaram-se três suportes diferentes (aço inoxidável e α − alumina) e dezanove membranas de AM-3, ETS-10, ZSM-5 e zeólito 4A, utilizando-se H2, He, N2, CO2, e O2. A primeira avaliação exploratória da qualidade das membranas foi feita permeando azoto à temperatura ambiente. Assim, permeâncias superiores a 10−6 mol/m2s.Pa evidenciavam defeitos grosseiros, levando-nos a efectuar cristalizações adicionais sobre as primeiras camadas. Este procedimento foi implementado com oito membranas. Um trabalho experimental mais detalhado foi conduzido com cinco membranas. Membranas com curvas permeância-temperatura ( Π −T ) decrescentes indicam tipicamente transporte viscoso e de Knudsen, i.e. meso e macrodefeitos. Por exemplo, a membrana nº 3 de AM-3 exibiu este comportamento com H2, He, N2 e CO2 puros. A contribuição de Knudsen foi confirmada pela relação linear encontrada entre as permeâncias e o inverso da raiz quadrada da massa molar. O mecanismo viscoso foi também identificado, pois as permeâncias eram inversamente proporcionais à viscosidade do gás ou, atendendo a equações do tipo de Chapman-Enskog, directamente proporcionais a 2 0.5 k d M (onde k d é o diâmetro cinético e M a massa molar). Um comportamento de permeação distinto observou-se com a membrana nº 5 de AM-3. As permeâncias registadas a temperatura programada eram aproximadamente constantes para o N2, CO2 e O2, enquanto com o H2 cresciam significativamente. Conjuntamente elas evidenciam a ocorrência de macro, meso e microdefeitos intercristalinos. O transporte gasoso activado através dos microporos compensa o impacto diminuidor dos meso e macroporos. Ao contrário do N2, CO2 e O2, o pequeno diâmetro do hidrogénio torna-lhe possível permear através dos microporos intracristalinos, o que lhe adiciona um mecanismo de transferência responsável por esse crescimento. No que respeita à difusão superficial, o sistema CO2/ZSM-5 pode ser tomado como um exemplo paradigmático. Uma vez que este zeólito adsorve o CO2, as permeâncias diminuem com o crescimento de ΔP , em virtude de as concentrações no sólido aumentarem de forma não linear e tenderem para a saturação. Os resultados contrastantes obtidos com azoto realçam ainda mais o mecanismo superficial, pois o N2 não é adsorvido e as permeâncias medidas são constantes. Globalmente, as selectividades ideais calculadas ( α* ) variam de cerca de 1 a 4.2. Este parâmetro foi também utilizado para discriminar as melhores membranas, uma vez que baixos valores de α* denotam o escoamento viscoso não-selectivo típico de macrodefeitos. Por exemplo, o H2/CO2 na membrana nº 3 de AM-3 apresentou α* = 3.6 − 4.2 para 40–120ºC, enquanto que na membrana nº 5 de AM-3 originou α* = 2.6 − 3.1. Estes resultados corroboraram as observações anteriores, segundo as quais a membrana nº 5 era melhor do que a nº 3. Alguns ensaios foram realizados com membranas saturadas com água para aumentar a selectividade: as medições mostraram claramente uma melhoria inicial seguida de uma redução consistente de α* com o aumento da temperatura, devido à remoção das moléculas de água responsáveis pela obstrução de alguns poros. Em relação às selectividades reais de misturas contendo hidrogénio, devem ser realizadas mais experiências e a quantificação do hidrogénio deve ser melhorada. No que concerne à modelação, novos factores termodinâmicos de Maxwell- Stefan foram derivados para as isotérmicas mono e multicomponente de Nitta, Langmuir-Freundlich e Toth, tendo sido testadas com dados de equilíbrio e de permeação da literatura. (É importante realçar que só estão publicadas equações para Langmuir e Dual-Site Langmuir de componentes puros e misturas). O procedimento de validação adoptado foi exigente: i) as isotérmicas multicomponente foram previstas a partir das de gás puro; ii) os parâmetros de difusão dos componentes puros foram ajustados a dados de permeação de cada gás; iii) depois, as difusividades cruzadas de Maxwell- Stefan foram estimadas pela relação de Vignes; finalmente, v) as novas equações foram testadas usando-se estes parâmetros, tendo sido capazes de estimar com sucesso fluxos binários. Paralelamente ao enfoque principal do trabalho, derivou-se um novo modelo para permuta iónica em materiais microporosos baseado nas equações de Maxwell-Stefan. Este foi validado com dados experimentais de remoção de Hg2+ e Cd2+ de soluções aquosas usando ETS-4. A sua capacidade preditiva foi também avaliada, sendo possível concluir que se comporta muito bem. Com efeito, conseguiram-se boas previsões com parâmetros optimizados a partir de conjuntos de dados independentes. Este comportamento pode ser atribuído aos princípios físicos sólidos da teoria de Maxwell-Stefan.

Novel microporous silicates and mesoporous MCM materials derivatised with inorganic and organometallic complexes

Os materiais microporosos e mesoporosos são potenciais catalisadores heterogéneos. Os zeólitos e outros materiais microporosos do tipo zeolítico tradicionais, têm átomos tetracoordenados no esqueleto. Nos últimos anos, um vasto número de titanossilicatos contendo Ti(IV) hexacoordenado e Si(IV) tetracoordenado, com estruturas tridimensionais, têm sido alvo de grande interesse. Um dos objectivos desta tese foi preparar silicatos microporosos, contendo átomos metálicos com número de coordenação superior a quatro, e possuindo quer novas estruturas quer propriedades físicas e químicas interessantes. Neste contexto, foi preparado um novo ítriossilicato de sódio, AV-1, análogo do raro mineral montregianite, Na4K2Y2Si16O38·10H2O. Este material é o primeiro sólido microporoso que contem quantidades estequiométricas de sódio (e ítrio) no esqueleto. Foi, também, sintetizado um silicato de cério, AV-5, análogo estrutural do mineral montregianite com potencial aplicação em optoelectrónica. Nesta tese é, ainda, descrita a síntese e caracterização estrutural de um silicato de cálcio hidratado, AV-2, análogo do raro mineral rhodesite (K2Ca4Na2Si16O38.12H2O). Na continuação do trabalho desenvolvido em Aveiro na síntese de novos titanossilicatos surgiu o interesse de preparar novos zirconossilicatos microporosos por síntese hidrotérmica. Foram preparados dois novos materiais análogos dos minerais petarasite Na5Zr2Si3O18(Cl,OH)·2H2O (AV-3) e kostylevite, K2Si3O9·H2O (AV-8). Foram, também, obtidos análogos sintéticos dos minerais parakeldyshite e wadeite, por calcinação a alta temperatura de AV-3 e de umbite sintética. A heterogeneização de complexos organometálicos na superfície de materiais mesoporosos do tipo M41S permite associar a grande actividade catalítica e a presença de sítios activos localizados típicos dos complexos organometálicos, com a robustez e fácil separação, características dos materiais mesoporosos siliciosos. Nesta dissertação relata-se a derivatização dos materiais MCM-41 e MCM-48 através da reacção de [SiMe2{(h5-C5H4)2}]Fe e [SiMe2{(h5-C5H4)2}]TiCl2 com os grupos silanol das superfícies mesoporosas. Os materiais MCMs derivatizados com ansa-titanoceno foram testados na epoxidação de cicloocteno a 323 K na presença de hidrogenoperóxido de t-butilo. Estudou-se a heterogeneização dos sais de complexos com ligação metal-metal [Mo2(MeCN)10][BF4]4, [Mo2(m-O2CMe)2(MeCN)6][BF4]2 e [Mo2(m- O2CMe)2(dppa)2(MeCN)2][BF4]2 via imobilização nos canais do MCM-41. A imobilização dos catalisadores homogéneos na superfície do MCM-41 envolve a saída dos ligandos nitrilo lábeis, preferencialmente em posição axial, através da reacção com os grupos Si-OH da sílica. Verificou-se que a ligação Mo-Mo se mantém intacta nos produtos finais. É provável que estes materiais sejam eficientes catalisadores heterogéneos em reacções de polimerização. As técnicas de caracterização utilizadas nesta tese foram a difracção de raios-X de pós, a microscopia electrónica de varrimento, a espectroscopia de ressonância magnética nuclear do estado sólido (núcleos 13C, 23Na e 29Si), as espectroscopias de Raman e infravermelho com transformadas de Fourier, as análises termogravimétricas e as análises de adsorção de água e azoto.

Produção de biocombustíveis a partir da biomassa : melhoria da resistência do zeólito ZSM-5 aos compostos fenólicos

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

Pesquisa e desenvovimento de novos materiais microporosos e mesoporosos para uso em ressonância magnética nuclear por imagem como agentes de contraste

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Revisão do plano de segurança da água do sistema regional do Carvoeiro

Os Planos de Segurança da Água surgem com a necessidade de aumentar a segurança da água de abastecimento, superando a monitorização de conformidade de “fim de linha”, permitindo aumentar a confiança do consumidor na qualidade da água que lhe é fornecida. Esta nova abordagem recorre a uma metodologia de gestão baseada na identificação e no controlo de riscos em pontos críticos de um sistema de abastecimento, em complemento do controlo realizado através da monitorização da conformidade da água entregue aos consumidores. O Plano de Segurança da Água (PSA) encontra-se implementado no Sistema Regional do Carvoeiro (SRC) desde o ano de 2009. O SRC é um sistema de abastecimento de água em alta, sendo constituído por conjunto de infraestruturas de captação, tratamento, transporte e armazenamento de água desde a sua origem, localizada no rio Vouga, em Carvoeiro, até aos municípios integrados na Associação de Municípios do Carvoeiro-Vouga. Atendendo à obra de expansão do SRC, tornou-se imperativo efetuar uma revisão ao PSA, sendo este o objetivo primordial do trabalho de estágio desenvolvido na empresa Águas do Vouga S.A, concessionária responsável pela gestão do SRC. Para a prossecução deste objetivo, o trabalho desenvolvido envolveu os seguintes passos metodológicos: identificação das operações aplicadas no SRC; identificação de perigos e eventos perigosos em todos os órgãos constituintes do sistema; avaliação de riscos; identificação de pontos críticos de controlo; identificação de pontos de monitorização e medidas preventivas; elaboração do plano de monitorização, incluindo, procedimentos de controlo operacional em condições normais de funcionamento e em caso de desvio; validação deste plano. Deste trabalho resultou a identificação de 166 eventos perigosos, 17 tipologias de perigos, 3 pontos de controlo crítico e 17 pontos de monitorização. Os pontos de controlo crítico foram identificados nos processos de tratamento da ETA do Carvoeiro. O primeiro foi localizado na etapa de filtração com areia, antracite e zeólitos correspondendo aos perigos com metais (Fe e Mn), outros compostos químicos perigosos, partículas, turvação, matéria orgânica e alumínio. O segundo ponto foi identificado na etapa de filtração com filtros de carvão ativado granular relativo ao aparecimento de sabor e cianotoxinas. O terceiro ponto de controlo crítico foi encontrado na etapa de desinfeção referente aos microrganismos patogénicos. Os pontos de monitorização foram localizados ao longo do sistema em situações onde não se dispõem de nenhuma medida de controlo para eliminar o perigo e antes e após os pontos de controlo crítico. O plano de monitorização foi desenvolvido para estes pontos, embora os limites e procedimentos definidos devam ser alvo de revisão após a conclusão da obra de expansão do sistema. A validação da revisão do plano foi iniciada, mas cingiu-se apenas na avaliação preliminar de riscos, prévia ao início de operação da ETA do Carvoeiro. Para além da revisão deste plano, foram realizadas outras tarefas, nomeadamente uma análise à qualidade da água fornecida e distribuída pelo sistema, a elaboração do plano PCQA para o ano de 2016, a configuração da plataforma de gestão operacional NAVIATM e a revisão do Manual de Gestão da Águas do Vouga relativo ao processo de qualidade na captação, tratamento e distribuição e ao processo de qualidade na gestão do PSA.

Remoção de ibuprofeno de águas por oxidação catalítica

A ocorrência e destino de fármacos no ambiente aquático tem vindo a ser reconhecido como um problema emergente em química ambiental. Alguns compostos são resistentes à degradação nas estações de tratamento de águas residuais, ETARs, enquanto que outros, ainda que sofram degradação parcial, continuam a ser lançados nos meios aquáticos em quantidades apreciáveis. O Ibuprofeno, IB, um dos anti­ inflamatórios mais consumidos por todo o mundo, é um dos fármacos mais detectados no meio hídrico. Apesar dos sistemas de tratamento convencionais utilizados nas ETARs removerem até 90% do IB das águas residuais, é frequente o efluente descarregado conter ainda quantidades significativas deste poluente. A presença destes compostos no ambiente deve ser avaliada dado que possuem actividade biológica, mesmo a baixas concentrações. Os processos avançados de oxidação com peróxido de hidrogénio, na presença de catalisadores heterogéneos, permitem melhorar significativamente a remoção deste tipo de compostos em águas. Assim, foi objectivo deste trabalho o estudo da utilização de peróxido de hidrogénio como agente oxidante na remoção de IB em soluções aquosas, na presença de complexo de acetilacetonato de Ni (II) disperso em PDMS ou encapsulado em zeólitos NaY. Para o doseamento do fármaco em solução foi necessário desenvolver um método analítico consistindo de separação cromatográfica por HPLC e detecção e quantificação por UV-Vis. Não houve necessidade de recorrer a um passo de pré­ concentração de amostras por extracção em fase sólida (SPE) devido ao facto das concentrações de IB medidas ao longo do trabalho se terem sempre encontrado acima do LOQ (811 g L-1) do método analítico por injecção directa. Deste estudo pode concluir-se que o catalisador que apresentou melhor actividade catalítica e consequentemente maior remoção do IB em solução, foi o complexo de acetilacetonato de Ni (II), disperso em PDMS. Foi avaliada a influência, na conversão do IB, de diferentes parâmetros como a concentração inicial de peróxido de hidrogénio adicionada, quantidade de catalisador utilizada na mistura reaccional e temperatura. Os resultados permitiram concluir que os aumentos destes parâmetros conduzem a um aumento da actividade catalítica da reacção. A estabilidade catalítica do acetilacetonato de Ni (II)/PDMS, foi avaliada em ensaios consecutivos com a mesma amostra e nas mesmas condições, tendo-se observado que, após 8 utilizações, o catalisador perde ligeiramente a actividade (cerca de 11% do seu valor inicial). ABSTRACT: The presence and fate of pharmaceuticals in the aquatic environment is an emergent issue in environmental chemistry. Some compounds are poorly removed in wastewater treatment plants (WWTPs) while others, in spite of being partially removed, are still present in the WWTPs effluents and discharged in the receiving water bodies. Ibuprofen, IB, a non-steroid anti-inflammatory drug, is one of the most used and also one of the most frequently detected pharmaceutical contaminants in aquifers worldwide. Its removal by conventional wastewater treatment processes used in most WWTPs is usually high (up to 90% of incoming IB may be removed), but duet the high loads present in the influents, still significant amounts of IB usually leave the WWTPs in the treated effluents. The presence of these compounds in the environment must be evaluated considering that they may have some biological activity even at low concentrations. Advanced oxidation processes using hydrogen peroxide, in the presence of heterogeneous catalysts, provide a significantly improved removal of this type of substances from waters. Therefore, it was the aim of this work to study the use of hydrogen peroxide as an oxidizing agent in the removal of IB from aqueous solutions, in the presence of the catalyst nickel (II) acetylacetonate dispersed in PDMS or encapsulated in the NaY zeolite. For the quantification of the pharmaceutical in aqueous solution it was necessary to develop an analytical methodology based in chromatographic separation by HPLC and with UV-Vis detection and quantification. There was no need for a pre­concentration step of the samples by solid phase extraction (SPE) as the IB concentrations measured were always above the limit of quantification (811 bL1 of) the analytical method. The results from this study have shown that the catalyst which presented the best catalytic activity and the highest IB removal in solution was nickel (II) acetylacetonate dispersed in PDMS.