UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENASCAMPUS POOS DE CALDAS

MARCELLI RPULOMATHEUS CELLIM LEVENDOSKPATRCIA DA SILVA COSTA SANTOSLUIZ OTVIO PEANHA

PREPARAO DE CATALISADORES PELO MTODO DE IMPREGNAO E OBTENO DA CURVA PADRO DA SOLUO AZUL DE METILENO

Poos de Caldas /MG2015

MARCELLI RPULO MATHEUS CELLIM LEVENDOSKPATRCIA DA SILVA COSTA SANTOSLUIZ OTVIO PEANHA

PREPARAO DE CATALISADORES PELO MTODO DE IMPREGNAO E OBTENO DE CURVA PADRO DA SOLUO AZUL DE METILENO

Relatrio apresentado disciplina de Engenharia das Reaes Qumicas Heterogneas, do curso de Engenharia Qumica da Universidade Federal de Alfenas, Campus de Poos de Caldas MG.Professora: Cnthia Soares de Castro.

Poos de Caldas/MG2015

RESUMO

O presente trabalho foi dividido em duas partes. Primeiramente foi desenvolvido um catalisador baseado em xido de ferro (Fe2O3) suportado em carvo ativado pelo mtodo de impregnao a 80 C, o qual ocorre a deposio do componente precursor da fase ativa [Fe(NO3)3.9H2O] no suporte (carvo ativado) e, em seguida, ocorre a transformao deste precursor no componente ativo atravs da calcinao a 300 C. Na segunda parte do experimento, foram preparadas solues de azul de metileno de concentraes iguais a 1, 2, 5, 7 e 10 mg/L a partir de uma soluo inicial de 50 mg/L. Foram medidas as absorbncias dessas amostras diludas e obteve-se os resultados de 0.096, 0.270, 0.575, 0.769 e 0.996 para as respectivas concentraes de azul de metileno diludas. Utilizando-se desses valores obtidos de absorbncia a curva padro do azul de metileno foi construda e observou-se um comportamento linear.

SUMRIO

1.INTRODUO51.1.PARTE I: Preparao de catalisadores pelo mtodo de impregnao51.1.1.Catalisador51.1.2.Importncia dos catalisadores61.1.3.Propriedades de catalisadores71.1.4.Sntese de catalisadores71.1.4.1.Mtodo de Impregnao81.1.4.2.Mtodo de Precipitao91.1.4.3.Mtodo Sol-gel91.2.PARTE II: Obteno da curva padro da soluo de azul de metileno101.2.1.Lei de Lambert101.2.2.Lei de Beer101.2.3.Lei de Lambert Beer112.OBJETIVOS123.MATERIAIS E MTODOS123.1.Materiais123.2.Mtodos134.RESULTADOS E DISCUSSO135.REFERNCIAS14

1. INTRODUO

1.1. PARTE I: Preparao de catalisadores pelo mtodo de impregnao

1.1.1. Catalisador

Para que uma reao qumica acontea necessrio que ocorra colises entre a molculas de reagente para a formao de molculas do produto; que estas colises ocorram com geometria favorvel a formao do complexo ativado e com energia cintica suficiente para uma ruptura parcial das ligaes qumicas das molculas reagentes. Denomina-se portanto, Energia de ativao essa energia mnima necessria para que a coliso das molculas de reagentes seja eficaz e a reao efetivamente ocorra, em que quanto maior for a energia de ativao, mais lenta ser a reao [9].Como mostrado na Figura 1, catalisador uma substncia que propicia a reao um novo mecanismo, diminuindo a energia de ativao e aumentando a velocidade da reao, sem ser efetivamente consumida no processo e sem afetar o equilbrio [4].

Figura 1- Variao da Energia de Ativao (Ea) em uma reao sem catalisador e com catalisador [7].Toda reao que ocorre na presena de um catalisador denominada de catlise, e em funo dos estados fsicos dos reagentes e produtos, a catlise poder ser classificada em catlise homognea ou heterognea [9].

Catlise homognea quando o catalisador e reagentes formam uma nica fase (sistema monofsico), e a catlise heterognea quando catalisador e reagentes constituem um sistema polifsico, ou seja, apresentam uma superfcie de separao, geralmente, o catalisador um slido e os reagentes e produtos esto na forma liquida ou gasosa [9].

1.1.2. Importncia dos catalisadores

Desde das primeiras utilizaes observadas pelo homem, na fabricao de vinho, queijo e po, os catalisadores passaram a desempenhar um papel econmico fundamental no mercado mundial. Essa crescente e dependente utilizao dos catalisadores observada atualmente em diversas aplicaes industriais, como nos processos das indstrias Petroqumicas na etapa de craqueamento, que consiste num processo de quebra de molculas com a utilizao de catalisadores para transformar as fraes mais pesadas em outras mais leves como gs combustvel, gs liquefeito de petrleo e gasolina. A crescente importncia dos catalisadores nos processos industriais, deve-se portanto a seus efeitos caractersticos, como: Aumento da velocidade da reao, sem no entanto serem consumidos pela mesma; Regenerao do catalisador aps o termino da reao; Diminuio da energia de ativao; Conservao da composio qumica dos reagentes e produtos envolvidos; Conservao da variao de entalpia (da reao; Atuao na reao direta e na reao inversa, pois diminui a energia de ativao de ambas; Conservao do rendimento da reao, ou seja, produz a mesma quantidade de produto num menor tempo de reao.

1.1.3. Propriedades de catalisadores

As principais propriedades necessrias para o uso de um catalisador em processos qumicos : Alta atividade: O catalisador deve atingir atividade adequada na reao, em que uma alta atividade vai depender das suas propriedades qumicas e estruturais e das suas condies de operao[6]; Seletividade: O catalisador deve apresentar uma elevada seletividade na produo dos produtos desejados e uma mnima produo de subprodutos indesejveis[6];Estabilidade: O catalisador deve apresentar condies de estabilidade durante o perodo da reao permitindo assim, sua regenerao aps o uso[6]. Quanto ao tipo, os catalisadores so classificados em porosos, peneiras moleculares, monolticos, suportados e no suportados. As reaes catalticas heterogneas ocorrem na interface solido-fluido, em que a rea interfacial est diretamente relaciona com a velocidade da reao[4]. Nos catalisadores porosos a rea interfacial constituda por uma estrutura porosa que fornece uma grande rea permitindo uma alta velocidade de reao. Quando esses poros apresentam seletividade quanto ao tamanho da molcula, ou seja, permitem a entrada de pequenas molculas mais evitam as grandes molculas, o catalisador chamado de peneira molecular, sendo proveniente de substncias naturais como zelitas. No entanto, quando o catalisador suficientemente ativo, e no necessita de superfcie extensa fornecida por uma estrutura porosa, denomina-se os catalisadores de monolticos[4]. Tem-se tambm casos de catalisadores suportados, em que um material ativo (metal puro ou liga metlica) disperso sobre uma substncia menos ativa denominada de suporte com a finalidade de aumentar a rea exposta para o agente ativo, e a atividade pelo aumento da acessibilidade dos reagentes ao stio ativo[4].

1.1.4. Sntese de catalisadores

As caractersticas qumicas e fsicas do catalisador sintetizado, como a rea superficial, tamanho dos poros tem importante papel no desenvolvimento da reao, pois isto influencia diretamente as propriedades do catalisador como, alta atividade, estabilidade, regenerao e seletividade. Sendo assim, sero destacados trs principais mtodos de preparao de catalisadores: Impregnao, precipitao e mtodo sol-gel. 1.1.4.1. Mtodo de Impregnao

O mtodo de Impregnao um dos mtodos mais tradicionais e simples de preparao de catalisadores suportados. Em que determinado volume de soluo contendo o percurso de fase ativa posto em contato com um suporte slido, como por exemplo carvo ativado, com objetivo de conduzir a soluo do componente ativo pela estrutura porosa do suporte.Suporte de catalisadores fornece maior rea superficial para a atuao dos stios ativos e estabiliza a disperso. A interao desses stios com o suporte responsvel pelo estado qumico e disperso. Existem suportes que atuam no processo cataltico, apesar de geralmente serem considerados inertes ao processo. desejvel um suporte com porosidade e estabilidade trmica; em processos industriais tambm espera-se outras caractersticas como resistncia mecnica. Os usos de carvo ativado, assim como de alguns outros suportes carbonceos, possuem vantagens ao serem empregados por possurem relativo baixo custo, porosidade, recuperao do metal por queima do carbono, menos sensvel a desativao por formao de coque, e menor reatividade. Dependendo da quantidade utilizada da soluo contendo o percursor da fase ativa a impregnao pode ser denominada de impregnao mida ou impregnao seca. Na impregnao mida utilizado um volume em excesso da soluo de agente impregnante que colocado em contato com o suporte, que aps certo tempo separado e posteriormente secado para remoo do excesso de solvente. No entanto, na impregnao seca ou mida incipiente o volume do agente impregnante igual ou ligeiramente menor do que o volume dos poros do suporte slido [10]. Dessa forma, a preparao do catalisador pelo mtodo de impregnao consiste em basicamente trs etapas: 1) Contato do suporte com a soluo impregnante por um tempo determinado, em que a soluo ser conduzida para o interior dos poros do suporte; 2) Secagem do suporte impregnado, ou seja, eliminao do solvente (normalmente gua) dos poros do suporte; 3) Ativao do catalisador por calcinao, que nada mais que um tratamento trmico que tem por objetivo estabilizar as propriedades catalticas, fsicas e qumicas do catalisador [6]. Alm disso, durante a terceira etapa do mtodo de impregnao, ocorre a decomposio do complexo metlico precursor da fase ativa em xido metlico (como por exemplo, Nitrato de ferro III em xido de Ferro (, que ficara retido na superfcie do suporte slido [10]. xido de ferro III (Fe2O3) atua como catalisador de certas reaes de oxidao, como a oxidao de monxido de carbono (CO), e de desidrogenao oxidativa, como de butenos para butadieno. Nitrato de ferro [Fe(NO3)3.9H2O] possui alta solubilidade em gua, proporcionando um alto desempenho na impregnao e assim preparando o material para calcinao a fim de obter o desejado catalisador [1][3][5].Em comparao a outros mtodos de preparao de catalisadores a impregnao apresenta a grande vantagem de ser mais econmica pois requer menor quantidade do componente ativo, alm de apresentar alta atividade, desde de que no entanto seja garantida durante o processo uma alta disperso da fase ativa no suporte aps a secagem do material [11].Contudo, embora a tcnica de impregnao seja muito utilizada, por ser considerado um mtodo simples de preparao de catalisador suportado, este exige um cuidado durante o processo, em especial com a temperatura, uma vez que essa varivel operacional influncia na solubilidade do percursor e na viscosidade da soluo impregnante. Alm de durante a etapa de secagem, ser essencial o seu o controle entre (60 a 80C) a fim de evitar a migrao do percursor da fase ativa de dentro do poro para a superfcie durante a secagem do suporte [2].

1.1.4.2. Mtodo de Precipitao

O mtodo de precipitao se d atravs da adio de uma base, que tem como principal funo neutralizar um ou mais solveis que contenham o metal de interesse, geralmente amnia. Assim, forma-se um precipitado, que lavado, secado e transformado em xido[6].

1.1.4.3. Mtodo Sol-gel

O mtodo por sol-gel um mtodo mltiplo, envolve etapas como a hidrlise, polimerizao, secagem, entre outras. Apresenta uma melhor homogeneidade e seu processo requer uma menor temperatura. Alm disso, sua pureza comparvel com suportes encontrados comercialmente[6]. Descreve-se o processo sol-gel em etapas, em que primeiramente prepara-se uma fase aquosa chamada sol, isto acontece devido a disperso das partculas dos sais. Estas partculas sero convertidas por galeificao interna ou externa, se tornando partculas de gel com formas e tamanhos controladas. Aps esta etapa, ocorre a calcinao, este processo feito em uma temperatura controlada favorecendo a formao de partculas densas ou porosas de xidos metlicos. 1.2. PARTE II: Obteno da curva padro da soluo de azul de metileno

1.2.1. Lei de Lambert

Lambert (1870) observou a relao entre a transmisso de luz e a espessura da camada do meio absorvente. Quando um feixe de luz monocromtica, atravessava um meio transparente homogneo, cada camada deste meio absorvia igual a frao de luz que atravessava, independentemente da intensidade da luz que incidia. A partir desta concluso foi enunciada a seguinte lei: "A intensidade da luz emitida decresce exponencialmente medida que a espessura do meio absorvente aumenta aritmeticamente". (1)Onde: I = intensidade da luz transmitida;I0 = intensidade da luz incidente;x = constante denominada coeficiente de absoro ;L = espessura do meio absorvente;

1.2.2. Lei de Beer

Beer em 1852 observou a relao existente entre a transmisso e a concentrao do meio onde passa o feixe de luz. Uma certa soluo absorve a luz proporcionalmente concentrao molecular do soluto que nela encontra, isto :"A intensidade de um feixe de luz monocromtico decresce exponencialmente medida que a concentrao da substncia absorvente aumenta aritmeticamente". (2)Onde: I = intensidade da luz transmitida;I0 = intensidade da luz incidente;k = constante denominada coeficiente de absoro;c = concentrao do meio;

1.2.3. Lei de Lambert Beer

As leis de Lambert-Beer: De forma direta e simplificada, pode-se dizer que os princpios de Lambert que informam que a absorbncia linear e diretamente proporcional ao caminho percorrido pela energia radiante, ou seja, espessura da cubeta (b) utilizada no experimento. Por outro lado, os princpios de Beer determinam que a absorbncia diretamente proporcional concentrao da substncia em soluo. Assim, quando combinamos os dois princpios, temos a Lei de Lambert-Beer onde a absorbncia (A) diretamente proporcional ao caminho percorrido (b) e concentrao da substncia na soluo. (3)Onde:A= Absorbncia do meio;K= Coeficiente de absoro;C= Concentrao;L = Caminho tico da cubeta (geralmente 1 cm);

Figura 2 - Absoro de luz pela matria

Para a correta utilizao desta combinao de Leis, necessrio que alguns requisitos sejam atendidos: As partculas devem absorver a luz incidente de forma independente entre si; O meio absorvente deve ser homogneo e no dispersar a radiao; A radiao deve ser emitida em feixes paralelos e deve atravessar mesma distncia na qual interage com as partculas de soluo; A radiao deve ser monocromtica; O fluxo de radiao no deve desestabilizar os tomos.2. OBJETIVOSSintetizar um catalisador de xido de ferro III suportado em carvo ativado com relao 10% massa/massa a partir de nitrato de ferro III pelo mtodo de impregnao e calcinao. Preparar uma curva padro de azul de metileno.

3. MATERIAIS E MTODOS

3.1. Materiais

1 Balana analtica de preciso; 1 Agitador magntico com aquecimento; 1 Termmetro; 3 Bquers de 20 mL; 1 Peixinho pequeno; 1 conta-gotas; 1 cadinho de porcelana; 1 Mufla para calcinao dos catalisadores; Soluo padro de azul de metileno de concentrao 50 mg/L; 3 Bales volumtricos de 50 mL; 3 pipetas graduadas de 10 mL; 3 tubos de ensaio; Espectrofotmetro de UV-visvel; Nitrato de ferro III; Carvo ativado.3.2. Mtodos

Pesou-se 0,109 g de Fe(NO3)3.9H2O, precursor da fase ativa, e 0,181 g de carvo ativado. Em seguida as substncias foram solubilizadas em aproximadamente 5 mL utilizando-se um bquer e esta soluo foi aquecida e mantida sob agitao magntica a 80 C, para que houvesse a impregnao de nitrato de ferro sobre o carvo, at completa secagem. O slido resultante foi transferido para um cadinho de porcelana e calcinado a 300 C por 30 min.Diluiu-se a soluo padro em bales volumtricos a fim de obter solues de 1, 2, 5, 7 e 10 mg/L. O espectrofotmetro foi calibrado utilizando-se uma leitura em branco. Aps a calibrao, essas solues foram transferidas para tubos de ensaio para medio da absorbncia no comprimento de onda caracterstico do corante de azul de metileno de 665nm.

4. RESULTADOS E DISCUSSO

O rendimento da sntese do catalisador ser avaliado nos prximos relatrios, porm prev-se discrepncia do rendimento esperado do obtido devido a erros experimentais. Ao transferir o carvo ativado para o bquer, houve aderncia desse material parede do vidro, o que foi corrigido lavando a parede do aparato com gua com auxlio de um conta-gotas. No momento transferncia do slido resultante do bquer para o cadinho houve forte aderncia do material ao bquer, peixinho e esptula usada para raspagem. Tentou-se minimizar as perdas, porm houve material residual nos aparelhos supracitados, o que cr-se que levar discrepncia no rendimento mencionado.A relao da absorbncia com a concentrao da soluo possui carter linear conforme apresentado pela Figura 3.Tabela 1- Absorbncia medida para cada concentrao de soluo.Concentrao (mg/L)Absorbncia (A)

00

10,096

20,270

50,575

70,769

100,996

Grfico 1- Grfico de absorbncia versus concentrao com adio da reta tendncia. 5. REFERNCIAS

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