Preparação de membranas de zeólita ZSM-5 suportadas em α-alumina por tratamento hidrotérmico secundário

Abstract

Processos de separação com membranas vêm ganhando cada vez mais importância devido às vantagens inerentes desta tecnologia. Membranas de zeólita se destacam por apresentarem poros uniformes de tamanho molecular. Devido a esta característica, existe grande interesse na utilização de membranas de zeólita para separação de gases. A preparação deste tipo de membrana é complexa uma vez que existem diversos fatores interligados que governam este processo. Neste âmbito, o objetivo deste trabalho foi o estudo do preparo de membranas de zeólita ZSM-5 suportadas através da técnica de síntese hidrotérmica secundária sem uso de direcionadores orgânicos de estrutura. Foram avaliados os efeitos de dois parâmetros de preparação: o número de sínteses sucessivas (quantidade de camadas depositadas) e o tempo de envelhecimento da solução de síntese. Foi também investigado o crescimento do filme zeolítico a fim de obter mais informações sobre a sua formação. A síntese do filme de ZSM-5 foi realizada com uma solução de síntese de composição molar SiO2: 0,01 Al2O3: 0,3 Na2O: 114 H2O. Tubos porosos de ����-alumina semeados com zeólita ZSM-5 comercial foram utilizados como suporte para a membrana de zeólita. Os tempos de envelhecimento testados para a dissolução do silício e do alumínio foram 180, 120, 60 ou 30 min e para a mistura destas suspensões de silício e alumínio, 60 ou 15 min. A síntese hidrotérmica foi conduzida a 180 ºC por 24 h. No estudo das sínteses sucessivas, repetiu-se o procedimento por mais 2 ou 4 vezes. Para avaliar o crescimento do filme zeolítico, a síntese hidrotérmica foi realizada por 3, 6, 12 e 18 h. Com os resultados, constatou-se por análise de microscopia eletrônica de varredura que um ciclo de síntese já foi capaz de produzir um filme zeolítico com recobrimento homogêneo e interligação dos cristais. Esse resultado foi corroborado pelos testes de permeação de gases que mostraram que a membrana não possuía defeitos aparentes. As análises de difração de raios-X mostraram que o tempo de envelhecimento influenciou no tipo de zeólita formada. Apenas nas condições de 180 min e 60 min e de 180 min e 15 min de envelhecimento foi identificada somente a formação de zeólita ZSM-5. Na avaliação do crescimento do filme zeolítico, foi possível acompanhar a transformação das ligações entre alumínio, silício e oxigênio. Observou-se também que 18 h de síntese ainda não eram suficientes para a completa formação do filme zeolítico.

Membranes processes have been growing in importance because of the inherent advantages of this technology. Zeolite membranes stand out for presenting molecular sized uniform pores. Due to this characteristic, there is great interest in the use of zeolite membranes for gas separation. The preparation of this kind of membrane is complex because it is driven by many interconnected factors. In this scope, the current work aimed the study of zeolite membranes preparation by secondary hydrothermal synthesis without using organic structure directing agents. The effect of two preparation parameters were evaluated: successive synthesis steps (quantity of deposited layers) and aging time of the synthesis solution. The growth of the zeolitic film was also investigated in order to obtain more information about the membrane formation. The zeolitic film synthesis was carried out using a synthesis solution with molar composition SiO2: 0.01 Al2O3: 0.3 Na2O: 114 H2O. Porous ����-alumina tubes seeded with commercial ZSM-5 zeolite were used as supports for the zeolite membrane. The aging times for silicon and aluminum dissolution were 180, 120, 60 and 30 min and for silicon and aluminum mixture, 60 and 15 min. The hydrothermal synthesis was performed at 180 ºC for 24 h. This procedure was repeated for more 2 or 4 times when studying the successive synthesis steps. To evaluate the zeolitic film growth, the hydrothermal synthesis was performed for 3, 6, 12 or 18 h. It was verified by electronic microscopy analysis that one synthesis step was already capable of producing a homogeneous layer with crystal interconnection. This result was corroborated by the gas permeation tests which have shown no apparent defects in the membrane. X-ray diffraction analysis indicated that the aging time influenced on the type of zeolite formed. Only in the aging time conditions of 180 min and 60 min and 180 min and 15 min, ZSM-5 zeolite was exclusively formed. It was possible to follow the transformation of the chemical bonds between aluminum, silicon and oxygen during the evaluation of the zeolitic film growth. It was also noticed that 18 h of synthesis were still not enough for the complete formation of the zeolitic film.