Síntese, caracterização e avaliação de compostos de Nióbio como catalisadores para o tratamento de águas e reaproveitamento do glicerol

O Brasil possui a maior quantidade de reservas de nióbio do planeta, estimadas em aproximadamente 98%. Apesar disso, o interesse do Governo na exploração do mineral é limitado, o que reduziu o conhecimento do país sobre inúmeras aplicações ambientais e tecnológicas dos compostos de nióbio. Assim, es...

Nível de Acesso:openAccess
Publication Date:2018
Main Author: Batista, Luana Márcia Bezerra
Orientador/a: Gondim, Amanda Duarte
Co-advisor: Alves, Ana Paula de Melo
Format: Tese
Language:por
Programa: PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
Assuntos em Português:
Áreas de Conhecimento:
Online Access:https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/26384
Citação:BATISTA, Luana Márcia Bezerra. Síntese, caracterização e avaliação de compostos de Nióbio como catalisadores para o tratamento de águas e reaproveitamento do glicerol. 2018. 137f. Tese (Doutorado em Química) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2018.
Resumo Português:O Brasil possui a maior quantidade de reservas de nióbio do planeta, estimadas em aproximadamente 98%. Apesar disso, o interesse do Governo na exploração do mineral é limitado, o que reduziu o conhecimento do país sobre inúmeras aplicações ambientais e tecnológicas dos compostos de nióbio. Assim, estudos voltados para agregar valor ao nióbio e seus compostos são imprescindíveis. Portanto, esta tese avaliou o potencial de diferentes compostos de nióbio nas seguintes aplicações: (I) tratamento de águas e (II) valorização do coproduto da produção do biodiesel (glicerol). Os resultados alcançados foram divididos no formato de artigo em dois capítulos distintos. Primeiramente, foi aplicado o catalisador oxihidróxido de nióbio (NbO2OH) no tratamento de água, por meio da descoloração do corante alaranjado de metila usando a fotocatálise solar. O NbO2OH foi caracterizado por difratometria de raios-X, adsorção e dessorção de N2, espetroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de reflectância difusa na região do ultravioleta visível e ponto de carga zero. As caracterizações elucidaram que o NbO2OH é um material com estrutura amorfa, constituído por ligações Nb-OH e com band-gap igual a 3,6 eV, favorecendo sua aplicação na fotocatálise. A eficiência catalítica do NbO2OH foi avaliada através da variação das concentrações de corante, H2O2, pH e dosagem do NbO2OH. As melhores condições de tratamento foram, 15 mg L-1 do corante, 0,1 M de H2O2, pH = 4,0 e 1 g L-1 de NbO2OH, resultando na completa descoloração do corante após 10 minutos de tratamento. O NbO2OH foi reutilizado e, ao final de cinco ciclos de tratamento, a eficiência continuou inalterada, confirmando sua estabilidade. Depois, catalisadores de nióbio suportados em vermiculita sódica (Nb2O5/V0) e tratada com ácido clorídrico 3 mol L-1 (Nb2O5/V3) foram preparados pelo método de impregnação incipiente. Para comparação também foi sintetizado o Nb2O5. Todos os catalisadores foram caracterizados por adsorção e dessorção de N2, espectroscopia dispersiva de raios-X, difratometria de raios-X, espectroscopia de reflectância difusa na região do ultravioleta visível e espectroscopia Raman. As técnicas de caracterização evidenciaram a presença do Nb2O5 na fase cristalina TT na superfície do suporte V0 e na fase amorfa na superfície do suporte V3. A melhor dispersão do óxido de nióbio foi no suporte V3 (SBET = 464, 5 m2 g -1 ), devido sua maior área específica comparada a V0 (SBET = 0,7 m2 g -1 ). A pirólise rápida do glicerol sob os catalisadores Nb2O5/V0, Nb2O5/V3 e Nb2O5 foi investigada por meio do instrumento Py-GC-MS. Os resultados mostraram alta conversão do glicerol com o Nb2O5 (82,2 %), com maior rendimento para produtos oxigenados, como ácidos (25,1 %), álcoois (19,8 %) e ésteres (23,7 %). Comparativamente, na presença do catalisador Nb2O5/V3, ocorreu maior desoxigenação (CO2 = 6,4 %), não identificando ésteres, e favorecendo ácidos (15,9 %), álcoois (19, 7 %) e aldeídos (10,8 %). O Nb2O5/V0 exerceu a influência mais fraca para todos os produtos identificados, semelhante a pirólise térmica. Os distintos comportamentos catalíticos dos três catalisadores podem ser atribuídos assuas diferentes acidez e propriedades texturais. Os compostos de nióbio estudados são catalisadores promissores para ambas as aplicações realizadas, servindo de estímulo para o desenvolvimento da tecnologia do nióbio no nosso país.
The largest amount of Niobium reserves of the planet is available at Brazil, which is estimated at approximately 98%. Despite that, the interest of the government in exploiting Niobium is limited, what caused a reduction of the awareness of new environmental and technological applications of niobium-based compounds. Thus, studies focusing on niobium compounds are necessary. Therefore, this research aimed to evaluate the applicability potential of niobium compounds in water treatment and recovery of co-product from biodiesel production (glycerol). The results obtained were divided into two different chapters in the format of an article. Regarding water treatment, the use of niobium oxyhydroxide (NbO2OH) was applied as a catalytic agent in the discoloration of methyl orange using solar photocatalysis. The NbO2OH was characterized by X-ray diffractometer (XRD), N2 adsorption and desorption, Fouriertransform infra-red spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), ultravioletvisible diffuse reflectance spectroscopy (UV DRS) and point of zero charge (pzc). The characterizations showed that NbO2OH is a material with amorphous structure, composed of Nb-OH bonds and presents a band-gap of 3.6 eV, which fosters the application of Niobium in photocatalysis. The catalytic efficiency of NbO2OH was assessed in experiments with different concentrations of methyl orange, H2O2, pH and NbO2OH. The best treatment conditions occurred with the use of 15 mg L-1 of methyl orange, 0.1 M of H2O2, pH = 4.0 and 1 g L-1 of NbO2OH, resulting in the complete discoloration of the coloring after 10 minutes of treatment. The NbO2OH was reused and, after five cycles of treatment, the efficiency remained unchanged, which confirms the stability of the niobium compound. Subsequently, Niobium catalysts supported in sodium vermiculite (Nb2O5/V0) and in vermiculite treated with 3 mol L1 of hydrochloric acid (Nb2O5/V3) were prepared using incipient impregnation method. Also, Nb2O5 was synthesized to comparison. All catalysts were characterized by N2 adsorption and desorption, X-ray dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffractometer (XRD), spectroscopy of diffuse reflectance in the visible ultraviolet region (UV DRS) and Raman spectroscopy. The techniques of characterization evidenced the existence of Nb2O5 in the TT crystal phase at the surface of V0 support and in the amorphous phase at the surface of V3 support. The best dispersion of niobium oxide occurred in V3 support (SBET = 464.5 m2 g -1 ) due to its bigger specific area compared to V0 (SBET = 0.7 m2 g -1 ). The glycerol fast pyrolysis using Nb2O5/V0, Nb2O5/V3 and Nb2O5 catalysts was investigated with Py-GC-MS. The results indicated high glycerol decomposition using Nb2O5 (82.2%), presenting higher yield for oxygenated compounds such as acids (25.1%), alcohols (19.8%) and esters (23.7%). In comparison, a higher deoxygenation occurred in the presence of the catalyst Nb2O5/V3 (CO2 = 6.4%), observing the presence of acids (15.9%), alcohols (19.7%) and aldehydes (10.8%), while esters were not identified. The Nb2O5/V0 showed the least influence over all the observed products similarly to the thermal pyrolysis. The distinct behaviors of the three catalysts can be attributed to different levels of acidity and textural properties. The Niobium compounds analyzed are potentially indicated catalysts for the applications addressed in this study, stimulating the development of technologies that use Niobium in Brazil.