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Title in Portuguese: Síntese e análise de catalisadores de ferro suportados em carbono ativado para síntese de Fischer-Tropsch
Title: Synthesis and analysis of iron catalyst supported on activated carbon for Fischer-Tropsch synthesis
Author: Cruz, Márcia Gabriely Alves da
Advisor(s): Fernandes, Fabiano André Narciso
Co-advisor(s): Bastos Neto, Moisés
Keywords: Engenharia química
Carbono ativado
Enzimas
Processos químicos
Issue Date: 2014
Citation: CRUZ, M. G. A. Síntese e análise de catalisadores de ferro suportados em carbono ativado para síntese de Fischer-Tropsch. 2014 88 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014.
Abstract in Portuguese: Este trabalho teve como objetivo sintetizar catalisadores metálicos de ferro suportados em carbono ativado a base de polímeros para síntese de Fischer-Tropsch. A preparação dos catalisadores foi realizada pelo método de impregnação a umidade incipiente, utilizando solução aquosa de nitrato de ferro nonahidratado para obtenção de amostras com, aproximadamente, 55% de ferro. Duas amostras foram preparadas (FeCP1 e FeCP2) e caracterizadas por fluorescência de raios-X por energia dispersiva (EDXRF), difração de raios-X (DRX), medidas de fisissorção de nitrogênio, espectroscopia fotoeletrônica de raio-X (XPS), microscopia eletrônica de varredura (SEM-EDS) e redução à temperatura programada (TPR). As amostras foram submetidas também a testes catalíticos, utilizando-se diferentes condições de temperatura (513, 528 e 543 K), pressão (20, 25 e 30 atm) e razão molar H2:CO de 1 e 0,5. Os dados de EDXRF evidenciaram considerável diferença no teor de metal impregnado entre os dois catalisadores; o FeCP2 apresentou teor próximo ao esperado enquanto o catalisador FeCP1 ficou aquém do desejado. Os difratogramas obtidos por DRX mostraram um maior grau de cristalinidade da amostra FeCP2, enquanto FeCP1 e os dois suportes (CP1 e CP2) apresentaram-se como semi-cristalinos. Para o catalisador FeCP2, apresentaram-se duas fases ativas presentes, α-Fe2O3 e γ-Fe2O3; já no FeCP1, há apenas α-Fe2O3. A análise das características texturais revelou que, após a introdução metálica no suporte, houve decréscimo nos valores de área específica, volume de poros e diâmetro de poros, sendo mais perceptível para o catalisador FeCP2. As curvas de XPS expuseram os grupos funcionais oxigenados presentes na superfície dos suportes, bem como a presença do Fe+3 como fase ativa predominante em ambos os catalisadores. O espectro de ambos os catalisadores apresentou também um pico satélite que sugere a presença de um outro estado de valência do ferro semelhante ao que se tem no carbeto de ferro. As imagens obtidas por SEM exibiram forma e superfície irregulares, sendo as partículas presentes no FeCP2 maiores que a do FeCP1 devido a sua cristalinidade. Os dados de EDS demonstraram que, aproximadamente, metade do percentual de ferro presente no catalisador encontra-se na superfície. Pode-se inferir também por essa análise, utilizando-se seu espectro, a presença de carbeto de ferro na superfície do catalisador. As curvas de TPR evidenciaram uma maior estabilidade do catalisador FeCP2 mediante o FeCP1, por este ter apresentado três etapas de redução do óxido de ferro e não duas, como apresentada para aquele último. O teste catalítico expôs a melhor eficiência do catalisador FeCP2 para a produção de hidrocarbonetos na faixa de C5-C9, para as mesmas condições de temperatura, pressão e razão molar. Entretanto, a diminuição da razão molar desfavoreceu a obtenção de hidrocarbonetos pesados.
Abstract: The aim of this work was to synthesize iron catalysts supported on polymer-based activated carbons, for the Fischer-Tropsch synthesis. The preparation of the catalysts was performed by incipient wetness impregnation method using an aqueous solution of iron nitrate nonahydrate to obtain samples with approximately 55 % of iron. Two samples were prepared (FeCP1 and FECP2) and characterized by energy dispersive X-ray fluorescence (EDXRF), X-ray diffraction (XRD), nitrogen adsorption measurements, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM-EDS) and temperature-programmed reduction (TPR). The samples were also submitted to catalytic tests using different conditions of temperature (513, 528 and 543 K), pressure (20, 25 and 30 atm), and H2:CO molar ratio of 1 and 0.5. EDXRF data showed considerable difference in content of impregnated metal for both catalysts. FeCP2 exhibited an iron load close to the value expected while FeCP1 presented an iron load significantly lower than expected. XRD patterns showed a higher degree of crystallinity of the sample FeCP2, whereas FeCP1 and both supports used (CP1 and CP2) were found to be semi-crystalline. FeCP2 catalyst presented two active phases, α-Fe2O3 and γ-Fe2O3, while FeCP1 showed only one phase, α-Fe2O3. The analysis of the textural characteristics revealed a decrease in the values of the specific area, pore volume and pore diameter after the introduction of the metal into the support, which was more noticeable with the FeCP2 catalyst. XPS patterns indicated oxygen functional groups on the support surface and the presence of Fe+3 as the predominant active phase on both catalysts. The spectrum of both catalysts also showed a satellite peak which shows the presence of another valence state similar to the iron carbide. Images obtained by SEM revealed irregular shape and surface, being the particles present in FeCP2 greater than those on FeCP1 due to the crystallinity of the former. EDS data showed that approximately half of the iron percentage present in the catalyst bulk is on the surface. The presence of iron carbide on the catalyst surface can be inferred by using this spectrum analysis too. TPR graphics demonstrated a higher stability of the FeCP2, due to the three-step reduction of iron oxide instead of two as shown for the FeCP1. According to the results of the catalytic tests FeCP2 exhibited a better efficiency for the production of hydrocarbons in the C5-C9 range, for the same conditions of temperature, pressure and molar ratio. However, the decrease in the molar ratio disfavors the production of heavy hydrocarbons.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/10779
metadata.dc.type: Dissertação
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