Influência da irradiação de micro-ondas na síntese hidrotérmica da zeólita ZSM-5

Abstract

A zeólita ZSM- 5 é um material que possui excelentes propriedades, tais como, boa estabilidade térmica, seletividade de forma e forte acidez, sendo, portanto, indicado para uso em catálise. No entanto, o seu custo de produção é relativamente alto. Deste modo, na busca por reduzir os custos de obtenção do material, além de desenvolver metodologias ambientalmente amigáveis, pesquisadores vem estudando novas rotas de síntese e fontes alternativas de percursores. Neste contexto, o presente trabalho tem como finalidade a síntese de zeólitas ZSM- 5 pelo método hidrotérmico assistido por micro-ondas, pela adição de semente na mistura de síntese de modo a eliminar o uso do direcionador orgânico de estrutura, utilizando a cinza da casca de arroz, resíduo abundante no estado do Rio Grande do Sul, como fonte de silício. De modo a avaliar os efeitos dos parâmetros de síntese como potência (260, 780 e 1300W), tempo de residência no micro-ondas (10, 30 e 50 s) e tempo de envelhecimento (0, 30 e 60 min) nas características texturais dos materiais, foi realizado o planejamento experimental Box Behnken. Para comparação, a zeólita ZSM-5 foi sintetizada sem o tratamento de micro-ondas, utilizando as mesmas condições de síntese. Os difratogramas de raios-X das amostras sintetizadas foram consistentes com os padrões apresentados na literatura, assim como com os padrões da zeólita comercial. Pela microscopia eletrônica de varredura, foi possível observar a morfologia hexagonal, típica da zeólita ZSM- 5. Conforme os modelos gerados observase que menores potências favorecem as propriedades texturais, observando-se um aumento da área específica BET, do volume microporoso e redução do diâmetro de poro. Os mesmos resultados são observados em tempos de envelhecimento prolongados. Já para o tempo de micro-ondas é observado o aumento do diâmetro de poro em tempos de residência no micro-ondas prolongados. Quando avaliada a síntese convencional, sem a presença do aquecimento por micro-ondas, foram obtidas zeólitas ZSM-5 em todos os tempos de envelhecimento, sendo observado aumento da área superficial BET de 230 m².g- 1 para 291 m².g-1, para a síntese sem o tempo de envelhecimento e com o tempo de envelhecimento de 60 min, respectivamente. Empregando a tecnologia de microondas, foi observado aumento da área superficial BET e do volume microporoso quando comparado com os mesmos tempos de envelhecimento empregados na síntese hidrotérmica convencional. Sendo observado aumento da área superficial BET de 260 m².g-1 para 292, 306 e 307 m².g-1 para o tempo de envelhecimento de 30 min quando empregado o aquecimento de micro-ondas em diferentes potências e tempos de residência no micro-ondas. A melhor condição de síntese foi obtida pela combinação dos seguintes valores para as variáveis consideradas: potência de 260 W, tempo de residência no microondas de 10 s e tempo de envelhecimento de 30 min, tendo sido obtido valor de área superficial de 307 m².g-1 e volume microporoso igual a 0,101 cm³.g-1. Além do mais, a síntese hidrotérmica assistida por micro-ondas, em algumas combinações testadas, permitiu a obtenção da zeólita ZSM-5 em menores tempos de aquecimento, proporcionando menores tempos de síntese para a obtenção da zeólita ZSM- 5.

The zeolite ZSM-5 is a material that exhibits excellent properties, such as good thermal stability, shape selectivity, and strong acidity, making it suitable for catalytic applications. However, its production cost is relatively high. Thus, in the quest to reduce material acquisition costs and develop environmentally friendly methodologies, researchers have been exploring new synthesis routes and alternative sources of precursors. In this context, the present study aims to synthesize ZSM-5 zeolites through microwave-assisted hydrothermal methods, using rice husk ash as silicon source, without the presence of an organic structure directing agent. To evaluate the effects of synthesis parameters, such as power, microwave residence time, and aging time, on the textural characteristics of the materials, a Box Behnken experimental design was employed. For comparison, ZSM-5 zeolite was synthesized without microwave treatment under the same synthesis conditions. XRD patterns of the synthesized samples were consistent with literature standards and commercial zeolite patterns. Scanning electron microscopy revealed the hexagonal morphology typical of ZSM-5 zeolite. According to the generated models, lower powers favor textural properties, resulting in increased BET specific surface area, micropore volume, and reduced pore diameter. Similar behaviors were observed with extended aging time. Regarding microwave time, an increase in pore diameter were noted with prolonged microwave residence times. In the conventional synthesis evaluation without microwave heating, ZSM-5 zeolites were obtained at all aging times, showing an increase in BET specific surface area from 230 m².g⁻¹ to 291 m².g⁻¹ with aging times increasing from 0 min to 60 min. Employing microwave technology resulted in increased BET specific surface area and micropore volume compared to equivalent aging times in conventional hydrothermal synthesis. An increase in BET specific surface area from 260 m².g⁻¹ to 292, 306, and 307 m².g⁻¹ was observed for a 30 min aging time when using microwave heating at diferente powers and residence times. Furthermore, microwaveassisted hydrothermal synthesis, in some tested combinations, allowed the production of ZSM-5 zeolite in shorter heating times, providing reduced synthesis times to obtain ZSM- 5 zeolite.