Un peu d’histoire : degré et quantité de chaleur

Na Figura 30 são apresentadas as imagens microscopia electrónica de transmissão de algumas amostras de razão Si/Al=10 estudadas. O procedimento experimental e equipamento, foram já anteriormente apresentados no Capítulo II.3.

Figura 30: Imagens obtidas por microscopia electrónica de transmissão (MET) para as amostras (a) M10; (b) amostra dessilicada por tratamento convencional (M10_0,2_120V); (c) amostra dessilicada por acção de radiação microondas (M10_0,2_15*V).

(a)

(b)

(a)

(b)

(c)

(c)

Por observação das imagens, é notório que as cristalites do zeólito da amostra de partida (a), ficam parcialmente corroídos com os tratamentos alcalinos (b) e (c). A corrosão observada ocorre do exterior para o interior do zeólito. Os cristais do zeólito dessilicado pelo tratamento convencional apresentam lacunas maiores (b), em comparação com o tratamento por acção de radiação microondas (c). Assim, o primeiro tratamento parece levar à formação de poros mais largos, que será depois comprovado na caracterização textural.

II.4.5. Isotérmicas de adsorção

De forma a testar qual o efeito da dessilicação, nas propriedades texturais das amostras preparadas quer pelo tratamento convencional quer por acção de radiação microondas, determinaram-se diversos parâmetros tais como o volume microporoso (Vmicro), os volumes ultra e supermicroporoso (Vultramicro e Vsupermicro), o volume

mesoporoso (Vmeso) e a área externa (Aext) do material de partida e das diversas amostras

- Amostras dessilicadas pelo método convencional

Nas Figuras 31 e 32 apresentam-se as isotérmicas de adsorção das amostras dessilicadas pelo método convencional, nas duas séries onde se variou a concentração e o tempo, respectivamente. 0 2 4 6 8 10 12 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 p/p0 n a (m m o l g -1 ) M10_0,1_120V M10_0,2_120V M10_0,5_120V M10

Figura 31: Isotérmicas de adsorção/desadsorção de azoto a -196 ºC da amostra M10 e das estruturas dessilicadas pelo método convencional (série de concentração). Os símbolos sem e com preenchimento correspondem a pontos de adsorção e desadsorção, respectivamente.

A isotérmica de adsorção da amostra de partida pode ser classificada como sendo do tipo I, de acordo com a classificação de B.D.D.T., revelando a natureza microporosa da estrutura.

As amostras tratadas apresentam uma mistura de isotérmicas do tipo I e do tipo IV, o que indica a presença de microporosidade intrínseca do zeólito bem como o desenvolvimento de mesoporosidade como consequência dos tratamentos de dessilicação.

Observando a zona inicial das isotérmicas, pode-se concluir que apenas no caso da amostra dessilicada com concentração 0,2 M (M10_0,2_120V), o tratamento proporcionou um aumento do volume microporoso.

A pressões relativas elevadas (p/p0≈1), com excepção da amostra M10_0,1_120 V, cujo tratamento não levou à formação de mesoporosidade, todas as restantes amostras apresentam um aumento do número de moles de azoto adsorvidas relativamente à amostra inicial. Também se observam ciclos de histerese do tipo H4.

A conjugação destes resultados com os valores da percentagem de cristalinidade, mostram que o melhor compromisso se obtém nas condições da amostra M10_0,2_120V. Condições mais agressivas levam a um menor desenvolvimento de mesoporosidade bem como uma maior perda de cristalinidade.

0 2 4 6 8 10 12 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 p/p0 n a (m m o l g -1 ) M10 M10_0,2_30V M10_0,2_60V M10_0,2_120V

Figura 32: Isotérmicas de adsorção/desadsorção de azoto a -196 ºC da amostra M10 e das estruturas dessilicadas pelo método convencional (série de tempo). Os símbolos sem e com preenchimento correspondem a pontos de adsorção e desadsorção, respectivamente.

Os resultados da Figura 32 mostram que, tal como no caso das amostras da série da concentração, também neste caso as isotérmicas são uma mistura do tipo I e do tipo IV, o que indica o desenvolvimento de mesoporosidade.

Verifica-se que à excepção da amostra M10_0,2_30V, cujo andamento da parte inicial coincide com a amostra de partida, as amostras M10_0,2_60V e M10_0,2_120V, apresentam um desenvolvimento de microporosidade.

Comparando os resultados obtidos nesta série de tempo com os anteriores, verifica-se que na série de concentração há um aumento da extensão de mesoporosidade criada. Estes resultados estão de acordo com os obtidos por outros autores em que o estudo se focou também na dessilicação da MOR [6,15].

- Amostras dessilicadas por acção de radiação microondas

A Figura 33mostra as isotérmicas de adsorção da amostra de partida e das amostras dessilicadas por microondas, variando o tempo de dessilicação.

0 2 4 6 8 10 12 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 p/p0 n a (m m o l g -1 ) M10 M10_0,2_5*V M10_0,2_15*V M10_0,2_30*R

Figura 33: Isotérmicas de adsorção/desadsorção de azoto a -196 ºC da amostra M10 e das estruturas dessilicadas acção de radiação de microondas. Os símbolos sem e com preenchimento correspondem a pontos de adsorção e desadsorção, respectivamente.

As amostras dessilicadas por radiação de microondas apresentam um aumento do número de moles de azoto adsorvidas a pressões elevadas, relativamente à amostra mãe, e também a existência de histerese do tipo H4. Verifica-se que a amostra M10_0,2_30 *R é aquela que apresenta um maior desenvolvimento de mesoporosidade. Assim, pode-se dizer que mesmo para tempos muito curtos por acção de radiação microondas observa-se o desenvolvimento de mesoporosidade

-

Análise quantitativa das isotérmicas por aplicação do método α

De forma a avaliar quantitativamente as propriedades texturais das amostras, os dados da adsorção de azoto a -196 ºC foram analisados recorrendo ao método αs, como

se exemplifica na Figura 34 para a amostra M10_0,1_120V. Tomou-se como material de referência a isotérmica obtida numa sílica não porosa [87].

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 V ( cm 3 g -1 ) αs

Figura 34: Representação do método αs para a amostra M10_0,1_120V.

Este método permitiu avaliar não só o volume microporoso, Vmicro, mas também

o volume supermicroporoso, Vsupermicro, (supermicroporos: largura entre 0,7 e 2,0 nm),

que se preenchem a pressões relativas no intervalo de 0,02 a 0,2 (microporosidade secundária); o volume ultramicroporoso, Vultramicro, (largura inferior a 0,7 nm), que são

preenchidos a pressões relativas da ordem de 0,01 (microporosidade primária) e a área externa, Aext.

Analisando a Figura 34, observam-se duas regiões lineares bem definidas. A primeira zona é definida pelos pontos experimentais determinados no intervalo de pressões relativas entre 0,02 e 0,04 e a segunda corresponde a pressões relativas superiores a 0,04. Nenhuma das rectas passa pela origem sendo o valor da ordenada na origem sempre positivo, tal facto era espectável uma vez que a amostra em estudo é do tipo zeolítico e portanto microporosa.

O Vultramicro corresponde ao valor da ordenada na origem numa representação

gráfica de αs vs quantidade adsorvida, uma vez que na primeira região linear todos os

ultramicroporos já se encontram preenchidos. O Vmicro determinou-se do mesmo modo

que o anterior, mas considerando a segunda região linear. O Vsupermicro, é calculado pela

diferença entre o volume total de microporos e o volume de ultramicroporos.

O volume mesoporoso, Vmeso, foi obtido a partir da diferença entre o Vtotal (que

Tabela 12: Parâmetros texturas para a amostra M10 e estruturas dessilicadas pelo tratamento convencional e por acção de radiação microondas.

Amostra Vmicro (cm3 g-1) Vultramicro (cm3 g-1) Vsupermicro (cm3 g-1) Vmeso (cm3 g-1) Vtotal (cm3 g-1) Aext (m2g-1) M10 0,20 0,19 0,01 0,05 0,25 24 M10_0,1_120V 0,20 0,18 0,02 0,04 0,24 25 M10_0,2_120V 0,21 0,19 0,02 0,19 0,40 133 M10_0,5_120V 0,17 0,16 0,01 0,21 0,38 125 M10_0,2_30V 0,19 0,17 0,02 0,11 0,30 92 M10_0,2_60V 0,19 0,17 0,02 0,15 0,34 122 Método convencional M10_0,2_120V 0,21 0,19 0,02 0,19 0,40 133 M10_0,2_5*V 0,19 0,15 0,04 0,12 0,31 99 M10_0,2_15*V 0,19 0,15 0,04 0,12 0,31 96 Método por radiação de microondas M10_0,2_30*R 0,19 0,15 0,04 0,15 0,34 90

Tal como foi referido anteriormente na análise da configuração das isotérmicas, os valores correspondentes ao volume mesoporoso, permitem concluir que de uma maneira geral os tratamentos de dessilicação promoveram o desenvolvimento de mesoporosidade nas diferentes amostras. Comparando o método convencional com o método de microondas é notório o maior desenvolvimento de mesoporosidade no método convencional nomeadamente na série de concentração.

Quando se compara a série de concentração com a série de tempo relativamente ao método convencional, a amostra M10_0,1_120V e a amostra M10_0,2_30V apresentam percentagens de cristalinidade semelhantes, no entanto esta última consegue um maior desenvolvimento de mesoporosidade, quando comparada com a amostra da série de concentração. É importante referir ainda que quando se comparam as amostras dentro da mesma série verifica-se que à medida que os tratamentos se tornam mais significativos e as condições mais severas a percentagem de cristalinidade tende a diminuir com o aumento da mesoporosidade criada.

É notório que todas as amostras apresentam microporosidade secundária, que, como anteriormente foi referido, está relacionada com a presença de Vsupermicro. Este tipo

de porosidade foi identificado mesmo na amostra de partida M10, o que pode estar relacionado com as diversas permutas e calcinações que foram efectuadas para a obtenção da forma protónica.

Os valores da tabela referentes ao Vmicro, mostram que, de um modo geral, os

tratamentos de dessilicação não afectam a microporosidade global das amostras. Observam-se no entanto, diferenças na evolução dos valores do Vsupermicro e do Vultramicro

nos dois tipos de tratamentos. Relativamente às amostras dessilicadas pelo método convencional, estas apresentam valores de Vsupermicro e Vultramicro próximos dos da

amostra de partida, mas no caso das amostras dessilicadas por acção de radiação microondas, verifica-se um decréscimo mais pronunciado do Vultramicro. Tendo em conta

que este volume, representa o volume dos poros característicos da estrutura do zeólito, estes resultados parecem indicar que o tratamento por microondas permite a conversão de uma fracção de microporos característicos da estrutura em microporos de maiores dimensões, dado que a diminuição do Vultramicro é compensada pelo aumento do

Vsupermicro (microporosidade secundária). O desenvolvimento destes microporos de

maiores dimensões não parece ser afectado pelo tempo de duração da radiação microondas.

Os resultados obtidos indicam assim que a dessilicação por acção de radiação microondas pode gerar mesoporosidade, tal como nos tratamentos convencionais e, simultaneamente, permitem o alargamento dos microporos característicos do zeólito MOR diminuindo o tempo de tratamento.

A principal justificação para o sucesso da radiação de microondas está relacionada com o efeito térmico/cinético, que permite obter rapidamente temperaturas de reacção elevadas [88]. Inversamente ao que ocorre no método convencional, cuja temperatura da mistura reaccional não é uniforme, devido às correntes de convecção formadas durante a transferência de calor, no caso do aquecimento por microondas, a temperatura da mistura é muito mais uniforme, e acima de tudo, a suspensão aquosa onde se encontra o zeólito absorve a radiação directamente garantindo um aquecimento mais rápido e sobretudo mais eficiente.

Tendo em conta as características dos dois métodos de dessilicação, os resultados texturais parecem indicar que, por tratamentos convencionais, a dessilicação é principalmente uma “corrosão” da superfície do cristal do exterior para o interior, como é comprovado com as imagens obtidas por microscopia electrónica de transmissão e que está em conformidade com os valores mais elevados Aext, e como é

igualmente relatado na literatura [6,15,46]. Por outro lado, quando a radiação de microondas é utilizada, ocorre com uma transformação intracristalina, levando à conversão de uma fracção de microporos características da estrutura da mordenite em microporos de dimensões superiores.

No que se refere ao desenvolvimento de mesoporosidade observa-se que o Vmeso da

amostra M10_0,2_5*V é ligeiramente superior ao da amostra M10_0,2_30V, mas num tempo de tratamento consideravelmente mais curto. A mesma analogia pode ser feita para a amostra M10_0,2_30*R e a amostra M10_0,2_60V cujo Vmeso é idêntico.

O tipo de evolução textural encontrado neste estudo não está descrito no único trabalho que, do nosso conhecimento, estudou as potencialidades da radiação microondas para realizar tratamentos de dessilicação [44]. Nesse trabalho, o estudo recaiu sobre o zeólito ZSM-5, que para além das diferenças estruturais do zeólito, as condições experimentais empregues também não são as mesmas.

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Distribuição do tamanho de mesoporos

A distribuição de tamanho de mesoporos foi realizada de acordo com o método de Broeknoff-de-Boer [89], num versão simplificada com a equação de Frenkel-Halsey-Hill (CdB-FHH). Na Figura 35 apresenta-se a distribuição do tamanho de mesoporos para algumas amostras dessilicadas pelo método convencional e por microondas. 0 0,01 0,02 0,03 0,04 1 10 100 dp (nm) d V /d lo g d ( cm 3 g -1 n m -1 ) M10 M10_0,2_30V M10_0,2_120V M10_0,2_15*V

Figura 35: Distribuição do tamanho de mesoporos para algumas amostras onde se realizou a dessilicação pelo método convencional (série de tempo) e por acção de radiação microondas.

O material de partida, M10, apresenta uma curva de distribuição onde se comprova que não apresenta uma estrutura mesoporosa desenvolvida.

As amostras dessilicadas apresentam distribuições bimodais com máximos perto de 6-7 nm, correspondendo a uma pequena fracção de poros, o outro máximo perto dos 10 nm, corresponde a uma elevada fracção poros, em que se denota a influência do tempo de tratamento nos dois métodos de dessilicação usados. A amostra M10_0,2_120V apresenta um maior volume de mesoporos, centrada perto de 12,5 nm, como se verificou na análise das isotérmicas de adsorção.