Preparação de catalisadores baseados em carvão ativado polimérico para a desidrogenação do etilbenzeno com dióxido de carbon

Abstract

Resinas de estireno e divinilbenzeno são materiais atrativos para muitos propósitos por causa das suas propriedades, variedade de grupos funcionais na superfície e porosidade, que podem ser controlados na síntese. Essas características também favorecem a produção de suportes e catalisadores baseados em carvão, com elevada áreas superficiais específicas e com grupos funcionais na superfície, que podem agir como sítios ativos. Eles podem ser usados em muitas reações, entre elas, a desidrogenação do etilbenzeno para produzir estireno. Esse monômero é comercialmente produzido pela desidrogenação do etilbenzeno em presença de vapor de água, mas este processo possui um custo elevado e, portanto, há a necessidade de novas alternativas de produção. A substituição do vapor pelo dióxido de carbono é uma das opções mais atrativas para diminuir o custo energético e, dessa forma, muitos estudos têm sido conduzidos para obter novos catalisadores para essa reação. Com este objetivo, neste trabalho foi descrita a preparação de catalisadores de cobre suportado em carvão ativado polimérico, assim como sua avaliação na desidrogenação do etilbenzeno em presença de dióxido de carbono. O carvão ativado polimérico foi preparado a partir do copolímero estireno e divinilbenzeno sulfonado, seguido da calcinação (250 oC), carbonização (900 oC) e ativação (800 oC). Os íons cobre foram adsorvidos nesse sólido por diversos métodos. O efeito dos metais alcalinos (magnésio e sódio) nas propriedades texturais e catalíticas dos sólidos foi também estudado. As amostras foram caracterizadas por espectrofotometria de absorção atômica, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, medidas de área superficial específica e de porosidade, difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de energia dispersiva. Os catalisadores foram avaliados na desidrogenação do etilbenzeno em presença de dióxido de carbono, a 1 atm e em diversas temperaturas (400, 500 e 600oC). Foram obtidos sólidos com diferentes propriedades texturais e catalíticas, dependendo do método de preparação, assim como da presença de metais. O uso de uma razão de estireno/divinilbenzeno de 15/85 levou à produção de um carvão ativado com a elevada área superficial específica, capaz de adsorver grandes quantidades de cobre, devido aos grupos funcionais gerados na superfície. As propriedades texturais e catalíticas do carvão ativado com cobre foram fortemente dependentes do método de incorporação do cobre. O catalisador mais ativo foi produzido quando o cobre foi adsorvido no carvão ativado previamente oxidado por quatro vezes sucessivas, utilizando-se uma mistura de oxigênio em nitrogênio. Em ambos os sólidos CA e CON, o cobre e os grupos funcionais superficiais no carvão ativado foram ativos na reação. A adição do magnésio aumentou a seletividade a estireno, devido à neutralização de sítios ácidos residuais. O catalisador produzido foi mais ativo do que uma amostra de um catalisador comercial avaliado na presença de vapor, mostrando que o catalisador é promissor para fins industriais

Styrene and divinylbenzene resin is an attractive material for several purposes because of its properties, such as the variety of surface functional groups and porosity, which can be controlled during the synthesis. These characteristics also favor the production of carbon-based supports and catalysts with high specific surface areas and with functional groups on the surface, which can act as active sites. They can be used for several reactions, among them, the ethylbenzene dehydrogenation to produce styrene. This monomer is commercially produced by the ethylbenzene dehydrogenation in the presence of steam but it is a high cost process and thus new alternatives are much needed. The replacement of steam by carbon dioxide is one of the most attractive options to decrease the energy cost and thus several studies have been carried out to find new catalysts for this reaction. With this goal in mind, the preparation of catalysts based on polymeric activated carbon-supported copper, as well as their evaluation in ethylbenzene dehydrogenation in the presence of carbon dioxide, was described in this work. The polymeric activated carbon was prepared from sulfonated styrene- divinylbenzene copolymer, followed by calcination (250 oC), carbonization (900 oC) and activation (800 oC). Copper ions were adsorbed in these solids by several methods. The effect of alkaline metals (magnesium and sodium) on the textural and catalytic properties of the solids was also studied. Samples were characterized by atomic absorption spectrometry, Fourier transform infrared spectroscopy, specific surface area and porosity measurements, X-ray diffraction, scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy. The catalysts were evaluated in ethylbenzene dehydrogenation in the presence of carbon dioxide at 1 atm and several temperatures (400, 500 and 600 oC). Solids with different textural and catalytic properties were obtained depending on the preparation method as well as on the presence of metals. The use of a styrene to divinylbenzene ratio of 15/85 leads to the production of an active carbon with the highest specific surface area, which is also able to adsorb a large amount of copper, due to the surface functional groups generated. The textural and catalytic properties of the activated carbon- supported copper largely depended on the method of the copper incorporation. The most active catalyst was produced when copper was adsorbed on activated carbon previously oxidized four times successive with a gas mixture of oxygen in nitrogen. In these solids CA and CON, both copper and the surface functional groups on the activated carbon were active for the reaction. The addition of magnesium increased the selective to styrene, due to the neutralization of the acidic sites on the surface, active for the production of toluene and benzene. The further rising of the catalyst with a sodium hydroxide solution increased the selectivity even more, due to the neutralization of the residual acidic sites. The catalyst produced was more active than a commercial sample evaluated in t