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Efeito da acessibilidade aos sítios ácidos da Zeólita MFI na esterificação catalítica

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Ribeiro, Maria Eduarda
Orientador(a): Cardoso, Dilson lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
MFI
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/19946
Resumo: In the context of increasing ethanol production through fermentation, substantial amounts of fusel oil are produced. Consequently, there is a growing interest in exploring methods to reuse fusel oil by transforming its major component, isopentanol, into valuable industrial products. One potential approach involves the conversion of isopentanol into isopentyl acetate, an ester widely utilized in the food industry for flavor enhancement. Viable mechanisms for effecting this conversion is to apply esterification reactions, facilitated by a protonic catalyst. Zeolites, noted for their acidity arising from Brønsted sites, have been recognized as effective catalysts for this purpose. Recent research has revealed that the main factor that enhances catalytic efficacy in esterification reactions is the expansion of the external surface area of zeolites due to constraints associated with molecular diffusion within the micropores of MFI zeolite. In this context, the present study aim to investigate how the accessibility to acidic sites of MFI zeolite can be improved by reducing particle size to obtain isopentyl acetate. In order of this, several parameters were explored, including the aging time of the reaction mixture during the synthesis of MFI zeolite with n-butylamine (BTA) and tetrapropylammonium cations (TPA+), Si/Al ratio, and the hydrothermal treatment time. The analyses, including N2 physisorption and SEM results, demonstrated that prolonging the aging time in both BTA and TPA+ syntheses led to smaller particle sizes while maintaining the chemical composition of the zeolites relatively constant. Additionally, the research established that TPA+ cations were more effective in producing smaller particle sizes, and lowering the Si/Al ratio from 25 to 15 also resulted in smaller particle diameters. Thus, adjusting these synthesis parameters permits the variation of the particle size of the zeolites. Regarding the observed catalytic activity, we observed that zeolites synthesized with TPA+ and smaller particle sizes, resulting in a larger external surface, achieved higher conversion rates. It occurs due to molecules having better access to catalytic sites. Conversely, samples synthesized with BTA, having a smaller external surface area, achieved similar conversion rates. Nevertheless, a comparative analysis of samples from BTA and TPA+ syntheses has revealed that those derived from BTA synthesis exhibit superior TOF0, despite their lower aluminum content. Therefore, it demonstrates that the performance of the reaction is mainly affected by the external surfaces acidity profile.
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One potential approach involves the conversion of isopentanol into isopentyl acetate, an ester widely utilized in the food industry for flavor enhancement. Viable mechanisms for effecting this conversion is to apply esterification reactions, facilitated by a protonic catalyst. Zeolites, noted for their acidity arising from Brønsted sites, have been recognized as effective catalysts for this purpose. Recent research has revealed that the main factor that enhances catalytic efficacy in esterification reactions is the expansion of the external surface area of zeolites due to constraints associated with molecular diffusion within the micropores of MFI zeolite. In this context, the present study aim to investigate how the accessibility to acidic sites of MFI zeolite can be improved by reducing particle size to obtain isopentyl acetate. In order of this, several parameters were explored, including the aging time of the reaction mixture during the synthesis of MFI zeolite with n-butylamine (BTA) and tetrapropylammonium cations (TPA+), Si/Al ratio, and the hydrothermal treatment time. The analyses, including N2 physisorption and SEM results, demonstrated that prolonging the aging time in both BTA and TPA+ syntheses led to smaller particle sizes while maintaining the chemical composition of the zeolites relatively constant. Additionally, the research established that TPA+ cations were more effective in producing smaller particle sizes, and lowering the Si/Al ratio from 25 to 15 also resulted in smaller particle diameters. Thus, adjusting these synthesis parameters permits the variation of the particle size of the zeolites. Regarding the observed catalytic activity, we observed that zeolites synthesized with TPA+ and smaller particle sizes, resulting in a larger external surface, achieved higher conversion rates. It occurs due to molecules having better access to catalytic sites. Conversely, samples synthesized with BTA, having a smaller external surface area, achieved similar conversion rates. Nevertheless, a comparative analysis of samples from BTA and TPA+ syntheses has revealed that those derived from BTA synthesis exhibit superior TOF0, despite their lower aluminum content. Therefore, it demonstrates that the performance of the reaction is mainly affected by the external surfaces acidity profile.Com o aumento da produção de etanol via fermentação, milhares de litros de óleo fúsel são gerados. Assim, alternativas de reaproveitamento do óleo fúsel envolvendo a transformação do isopentanol, seu principal constituinte, em produtos relevantes para indústria, tem despertado interesse. Uma alternativa é a transformação desse álcool em éster do ácido acético, no caso acetato de isopentila, amplamente empregado na indústria de alimentos como aromatizantes. Os ésteres podem ser obtidos através da reação de esterificação na presença de um catalisador protônico. Dentre os catalisadores, as zeólitas se destacam devido a sua acidez em função da presença de sítios de Brønsted. Contudo, recentes estudos desenvolvidos em nosso grupo de pesquisa mostraram que o principal fator que aumentou a atividade catalítica na esterificação foi o aumento da área superficial externa das zeólitas, devido à limitação difusional nos microporos da zeólita MFI. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo investigar a influência da acessibilidade aos sítios ácidos da zeólita MFI, por meio da redução do tamanho da partícula para obtenção do acetato de isopentila. Para isso, foi avaliado a influência do tempo de envelhecimento da mistura reacional na síntese da MFI com a n-butilamina (BTA) e na síntese com cátions tetrapropilamônio (TPA+) avaliou-se o efeito de diferentes parâmetros: tempo de envelhecimento, teor de cátions, razão Si/Al e tempo de tratamento hidrotérmico. Os resultados de fisissorção de N2 e MEV mostraram que o tempo de envelhecimento da mistura reacional, tanto na síntese com BTA, quanto na síntese com cátions TPA+, resultou em menores diâmetros de partículas, mantendo a composição química dessas zeólitas praticamente constante. Além disso, o estudo também revelou que os cátions TPA+ são mais eficientes para obter partículas de tamanhos reduzidos, e que a mudança na razão Si/Al de 25 para 15 também leva à obtenção de menores diâmetros de partícula. Portanto, foi possível obter zeólitas com diferentes tamanhos de partícula através do ajuste dessas variáveis de síntese. Com relação à atividade catalítica, foi observado que as zeólitas sintetizadas com TPA+ com menores tamanhos de partículas, ou seja, maior superfície externa, alcançaram maiores conversões devido à melhoria da acessibilidade das moléculas aos sítios catalíticos. Por outro lado, as amostras sintetizadas com BTA, que possuem menor superfície externa, obtiveram conversões semelhantes. No entanto, ao comparar as amostras da síntese com BTA e TPA+, foi constatado que as amostras obtidas pela síntese com BTA apresentaram maiores valores de TOF0, mesmo possuindo um menor percentual de Al nas amostras. Isso sugere que a reação depende principalmente da acidez na superfície externa.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)141539/2019-4porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessZeolitaMFITamanho de partículaSuperfície externaEsterificaçãoZeoliteMFIParticle sizeExternal surfaceEsterificationENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAEfeito da acessibilidade aos sítios ácidos da Zeólita MFI na esterificação catalíticaEffect of accessibility to acid sites of MFI Zeolite on catalytic esterificationinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTEXTTese doutorado_Maria EduardaRibeiro.pdf.txtTese doutorado_Maria EduardaRibeiro.pdf.txtExtracted texttext/plain102886https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/f78409a9-28d2-4cf9-9ffc-6d70f2ce77e6/download0c9974e825e0e69e83d422dd04fa6fd4MD55falseAnonymousREAD2025-06-30THUMBNAILTese doutorado_Maria EduardaRibeiro.pdf.jpgTese doutorado_Maria EduardaRibeiro.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3737https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/a93d4e4b-5148-4f52-b5c6-808fd90e2f39/downloadb9e57d6be866488b1573a7e99d30e46eMD56falseAnonymousREAD2025-06-30ORIGINALTese doutorado_Maria EduardaRibeiro.pdfTese doutorado_Maria EduardaRibeiro.pdfapplication/pdf4958573https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/5724fbdb-153c-4e9a-81b8-df784efc32d4/download35a6973db93c99500a34ac7e608c691aMD53trueAnonymousREAD2025-06-30CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8804https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/1407ec65-4f54-4cca-b1d5-8e9096e0b6ea/download4774e414fb27824b0dfca5f33e4ff24fMD54falseAnonymousREAD2025-06-3020.500.14289/199462025-02-06 02:21:13.837http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/Attribution-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/19946https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-06-30T03:00Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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