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Tipo: Tese
Título: Hidroxiapatitas de ferro e cobre: Aplicações na Redução Catalítica de Óxido de Nitrogênio e na adsorção de moléculas aromáticas heterocíclicas
Título em inglês: Iron and copper hydroxyapatites: applications in the Catalytic Reduction of Nitrogen Oxide and in the adsorption of aromatic heterocyclic molecules
Autor(es): Magalhães, Mayara de Sousa Oliveira
Orientador: Longhinotti, Elisane
Palavras-chave: Hidroxiapatita;SCR-NH3;Adsorção;Simulação Monte Carlo
Data do documento: 2020
Citação: MAGALHÃES, Mayara de Sousa Oliveira. Hidroxiapatitas de ferro e cobre: Aplicações na Redução Catalítica de Óxido de Nitrogênio e na adsorção de moléculas aromáticas heterocíclicas. 2020. 111 f. Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020.
Resumo: A Hidroxiapatita (Hap) tem sido amplamente utilizada como alternativa em aplicações como biocerâmica, catalisador e como adsorvente na descontaminação de solo e água devido à sua interação com cátions e ânions no processo de adsorção/troca iônica. Além disso, devido à excelente estabilidade, a hidroxiapatita aceita facilmente substituintes iônicos em sua estrutura. Deste modo, este trabalho tem como objetivo preparar, caracterizar e avaliar hidroxiapatitas dopadas com cobre e ferro em estudos para aplicações na redução catalítica seletiva de NO usando NH3 como agente redutor, e na adsorção em meio líquido de tiofeno, pirrol e furano. As hidroxiapatitas, pura e contendo cobre e ferro, foram obtidas pelo método da precipitação. A caracterização foi realizada pelas técnicas de EAA, MEV, FTIR, DRX, Mössbauer, UV-VIS sólido, BET, acidez por adsorção de piridina e TG. A eficiência da conversão catalítica do NO foi determinada em uma unidade catalítica laboratorial a partir de uma exaustão simulada de um veículo a diesel contendo 1000 ppm de NO, 1000 ppm de NH3 e 2,5% de O2 (vol.) com balanço em He. A estabilidade dos catalisadores foi avaliada na presença de H2O (10% vol.) e/ou SO2 (50 ppm). Nos estudos adsortivos foram realizados testes de equilíbrio e cinéticos de adsorção. Os dados de equilíbrios receberam tratamento matemático segundo as isotermas de Langmuir, Freundlich e Sips. Os resultados cinéticos foram modelados segundo equações de difusão de Weber e Moris e de pseudo 1ª e 2ª ordens. Simulação computacional tipo Monte Carlo e DFT foram utilizados para entender o mecanismo do equilíbrio de adsorção sobre as Hap. Os resultados mostram após impregnações teores de 1,5 a 6,5% de metal (Cu ou Fe) e esta incorporação praticamente não afetou a estrutura dos materiais. Os estudos para a SCR-NH3 mostraram que a matriz pura da hidroxiapatita não possui atividade catalítica, já os materiais dopados com as maiores razões molares Ca/Metal (9) alcançaram cerca de 90% de conversão a 400 oC. O material contendo cobre mostrou-se o mais promissor no processo catalítico e estável na presença de SO2 e H2O. No equilíbrio de adsorção, a 27 ºC, o modelo de Sips foi o que melhor estimou as capacidades adsortivas para os materiais avaliados. Na cinética de adsorção o modelo de pseudo 1ª ordem foi o que melhor descreveu os resultados experimentais. A simulação Monte Carlo mostrou que, nos sistemas monocomponentes, a repulsão eletrostática desfavoreceu a eficiência de adsorção das moléculas aromáticas heterocílicas estudadas, enquanto que no sistema ternário o fenômeno do transporte de massa das moléculas de furano, pirrol e tiofeno no solvente deve ser levado em consideração. Em geral, a ordem de atividade catalítica e adsortiva foi do tipo: HapCu ≈ HapFe > Hap.
Abstract: Hydroxyapatite (Hap) has been widely used as an alternative in applications such as bioceramics, catalysts and adsorbents for soil and water decontamination due to its interaction with cations and anions in the process of adsorption/ion exchange. In addition, due to its excellent stability hydroxyapatite readily accepts ionic replacements in its structure. This work aims to prepare, characterize and evaluate copper and iron-doped hydroxyapatites in studies for selective catalytic reduction of NO using NH3 as a reducing agent, in addition to studying the adsorption of thiophene, pyrrole and furan in a liquid medium. The hydroxyapatites, both pure and doped with copper and iron, were obtained by the precipitation method. The characterization was performed by the techniques of FAAS, MEV, FTIR, DRX, Mössbauer, solid UV/VIS, BET, TG, and acidity by adsorption of pyridine. The catalytic conversion efficiency of NO was determined in a laboratory catalytic unit from a simulated diesel vehicle exhaustion containing 1000 ppm NO, 1000 ppm NH3 and 2.5% O2 (vol.) He balanced. The stability of the catalysts was evaluated in the presence of SO2 (50 ppm) and/or H2O (10 vol%). In the adsorption studies, equilibrium and adsorption kinetics tests were performed. The equilibrium data received mathematical treatment according to the isotherms of Langmuir, Freundlich and Sips. The kinetic results were modeled according to Weber and Moris and pseudo 1st and 2nd order diffusion equations. After impregnations results showed contents of 1.5 to 6.5% of metal (Cu or Fe), and this incorporation barely affected the materials structure. NH3-SCR studies showed that the metal-free hydroxyapatite matrix had no catalytic activity, whereas materials doped with the highest Ca/Metal (9) molar ratios reached about 90% conversion at 400 oC. The material containing copper was the most promising one in the catalytic process and stable in the presence of SO2 and H2O. In the adsorption equilibrium, the Sips model was the one that best estimated the adsorption capacities for the evaluated materials. In the adsorption kinetics tests, the pseudo first order model was the one that best described the experimental results. The Monte Carlo simulation showed that, in the single component systems, electrostatic repulsion disfavored the efficiency of adsorption of the heterocylic aromatic molecules studied, whereas in the ternary system the phenomenon of mass transport of molecules of furan, pyrrole and thiophene in the solvent must be taken into consideration. In both processes the order of catalytic and adsorptive activity was of the type: HapCu ≈ HapFe> Hap.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/50165
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