Preparação de zeólitas mordenita com estrutura hierárquica de poros

Abstract

As restrições difusionais aos reagentes, causadas pelos microporos, limitam o uso das zeólitas no processamento de moléculas pesadas. Isto demanda o desenvolvimento de materiais que combinem as propriedades de zeólitas com as de materiais mesoporosos. Um número significativo de procedimentos experimentais, pré ou pós síntese, vem sendo sugerido para a obtenção de zeólitas hierarquicamente estruturadas. As metodologias de síntese mais bem sucedidas envolvem o uso de agentes geradores de mesoporosidade (agentes orgânicos e nanopartículas) ou nanomoldes (moldagem em nanoespaços), que geram sólidos com mesoporosidade intracristalina com uma estreita distribuição de tamanho de poros; isto resulta em sólidos contendo mesoporos, além dos microporos intrínsecos das zeólitas. Entretanto, ainda não existem estudos sistemáticos, que permitam estabelecer o efeito das variáveis de preparação sobre as características dos sólidos finais. A fim de superar essa dificuldade, neste trabalho foi estudado o efeito do tempo e da temperatura de cristalização do gel de síntese sobre as características de materiais baseados em mordenita com estrutura hierárquica de poros. Na preparação das amostras, adicionou-se um organossilano gerador de mesoporosidade (TPOAC, cloreto de [3- (trimetoxissilil)propil]octadecildimetilamônio), ao gel de síntese da mordenita, que foi cristalizado por diferentes períodos e em distintas temperaturas. Os sólidos obtidos foram submetidos à troca iônica com cloreto de amônio e posterior calcinação, de modo a obter a forma ácida do material. As amostras foram caracterizadas por termogravimetria, espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier, difração de raios X, análise textural por adsorção de nitrogênio, ressonância magnética nuclear de 29Si e de 27Al, microscopia eletrônica de varredura e medidas de acidez por dessorção de amônia à temperatura programada. Observou-se que a formação da mordenita contendo mesoporos é influenciada pelo tempo e temperatura de cristalização do gel da zeólita. O emprego de tempos relativamente curtos ou baixas temperaturas favorece a formação de um sólido amorfo, enquanto longos tempos ou elevadas temperaturas favorecem a formação de mesoporos intracristalinos na mordenita. Por outro lado, tempos e temperaturas intermediárias favoreceram a formação da mordenita com uma estrutura hierárquica de poros e mesoporos desordenados. O aumento da cristalinidade da mordenita acarreta uma diminuição na área e no volume de mesoporos, mas promove um acréscimo na área e no volume de microporos. A área externa também tende a diminuir devido ao aumento do tamanho do cristal da mordenita em função da cristalinidade. Os sólidos obtidos foram susceptíveis à desaluminação durante a etapa de calcinação. A extensão da desaluminação diminuiu com o aumento do tempo ou da temperatura de cristalização, devido à inserção dos átomos de alumínio na rede da zeólita em formação. Porém, em tempos de cristalização longos e temperaturas altas, pode ocorrer a redispersão dos átomos de alumínio. Todos os sólidos apresentaram elevada acidez que aumentou com a cristalinidade. Entretanto, nas amostras preparadas em tempos curtos e temperaturas baixas, a maioria dos sítios apresentou força ácida moderada, enquanto aquelas obtidas em tempos longos e temperaturas altas apresentaram maior quantidade de sítios ácidos fortes.

The diffusion restrictions of the reactants caused by the micropores limit the use of zeolites for processing heavy molecules. This demands for the development of materials that can combine the properties of zeolites and of mesoporous materials. A significant number of experimental procedures, pre or post synthesis, has been suggested for obtaining hierarchically structured zeolites. The most successful synthesis involve the use of mesoporosity generating agents (nanoparticles and organic agents) or nanotemplates (templating in nanospaces), which generate solids with intracristaline mesoporosity with a narrow pore size distribution. This results in solids containing mesoporous besides the intrinsic zeolite micropores. However, there is not any systematic study which allows to state the effect of crystallization time and temperature of the synthesis gel on the properties of the final solid. In order to overcome this difficulty, the effect of time and temperature of the synthesis gel on the properties of mordenite-based materials with hierarchical pore structure was studied in this work. In the samples preparation a mesoporosity generating organosilane (TPOAC, [3-(trimethoxysilyl) propyl] octadecyldimethylammonium chloride) was added to the synthesis gel of mordenite, which was crystallized for different times and temperatures. The solids were then submitted to ion exchange with ammonium chloride and further calcination to obtain the acidic form of the zeolite. The samples were characterized by thermogravimetry, Fourier transformed infrared spectroscopy, X-ray diffraction, textural analysis by nitrogen adsorption, 29Si and 27Al NMR, scanning electron microscopy and acidity measurements by ammonia desorption. It was observed that the formation of mordenite containing mesoporous is affected by the time and temperature of crystallization of the zeolite gel. The use of relatively short times and low temperatures favors the formation of an amorphous solid, while long times or high temperatures favor the formation of intracristaline mesoporosity in the mordenite. On the other hand, intermediate times and temperatures favor the formation of mordenite with hierarchical pore structure and disordered mesopores. The increase in mordenite crystallinity leads to a decrease in mesopore area and volume but promotes an increase in micropore area and volume. The external area also tends to decrease due to the increased crystal size as a function of mordenite crystallinity. The solids obtained were susceptible to dealumination during the calcination step. The degree of dealumination decreased with the increasing crystallization time or temperature due to the insertion of aluminum atoms in the zeolite lattice. However, at long crystallization times and high crystallization temperatures the redispersion of aluminum atoms can occur. All solids showed high acidity which increased as a function of crystallinity. However, the samples prepared at short times and low temperatures showed the majority of moderate acid sites of medium strength, whereas those obtained at long times and high temperatures have more strong acid sites. Thus, intermediate times and temperatures favor the formation of solids having zeolitic characteristics and high mesoporosity.