Síntese de adsorventes de sílica nano-estruturados por tecnologia sol-gel e tratamento hidrotermal
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Bárbara Caroline Ricci Nunes
Daniel Dornellas Athayde
Fernando Cabral Lage
Daniel Dornellas Athayde
Fernando Cabral Lage
Resumo
No presente trabalho foi sintetizado adsorventes de sílica por tecnologia sol-gel utilizando o Tetraetilortosilicato (TEOS) como precursor de sílica, água e três diferentes tipos de solventes alcoólicos (etanol, isopropanol e tert-butanol), obedecendo uma razão molar TEOS:H2O:álcool de 1:4:4 e sem uso de catalizador. Os processos de gelificação e envelhecimento, realizados em autoclave, foram realizados em diferentes temperaturas, indo da temperatura ambiente (aproximadamente 30°C) até 180°C. Foi investigada também a síntese de um conjunto 2D/3D, onde os géis de sílica 3D foram formados na superfície de folhas de óxido de grafeno 2D (GO). As estruturas dos géis aqui produzidos foram caracterizadas por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), adsorção e dessorção de N2, e microscopia eletrônica de varredura (MEV). O efeito das diferentes condições de síntese nas propriedades dos géis e capacidades de adsorção de N2 e vapor d’água foram comparados com a de uma sílica comercial para fins de estabelecer as melhores condições. Como resultado, notou-se que com o aumento da temperatura da autoclave houve um aumento do diâmetro médio dos poros, volume especifico de mesoporos e das capacidades de adsorção, superando a sílica comercial. Essa crescente porosidade parece ser o resultado de um maior aprisionamento de moléculas de álcool e água durante a formação da rede de sílica através das reações sol-gel, apesar de uma densificação dentro da autoclave cada vez mais importante. Esse processo de densificação mostrou também ser mais significante quando se usou um álcool com ponto de ebulição mais elevado, reduzindo drasticamente a capacidade de adsorção para a amostra sintetizada com tert-butanol e gelificada a 120ºC. As capacidades de adsorção de vapor d’água de amostras moídas ou não moídas se mostraram bem próximas, sendo considerada preferível a utilização do material não moído pela facilidade de operação e vantagens em termos de segurança e sustentabilidade ambiental. Já comparando as amostras com e sem (óxido de grafeno) GO, observou-se que houve um forte decréscimo no volume específico de poros para a amostra com inserção de óxido de grafeno associado ao fato da suspensão de óxido de grafeno possuir um pH ácido, fazendo com que houvesse uma expressiva redução na taxa de condensação durante a formação da rede de sílica.
Abstract
In the present work, silica adsorbents were synthesized by sol-gel technology using Tetraethylorthosilicate (TEOS) as silica precursor, water and three different types of alcoholic solvents (ethanol, isopropanol and tert-butanol), respecting a TEOS:H2O:alcohol molar ratio of 1:4:4 and without using catalyst. The gelation and aging processes, carried out in autoclave, were carried out at different temperatures, ranging from room temperature (approximately 30°C) to 180°C. The synthesis of a 2D/3D set was also investigated, where 3D silica gels were formed on the surface of 2D graphene oxide (GO) sheets. The structures of the gels produced here were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), N2 adsorption and desorption, and scanning electron microscopy (SEM). The effect of different synthesis conditions on the properties of the gels and their N2 and water vapor adsorption capacities were compared with the one of a commercial silica in order to establish the best conditions. As a result, it was noticed that with the increase of the autoclave temperature, there was an increase of the pores average diameter, mesoporous specific volume and adsorption capacities, surpassing the commercial silica. This increasing porosity appears to be the result of a greater entrapment of alcohol and water molecules during the formation of the silica network through sol-gel reactions, despite an increasingly important densification within the autoclave. This densification process was also shown to be more significant when using an alcohol with a higher boiling point, drastically reducing the adsorption capacity for the sample synthesized with tert-butanol and gelled at 120ºC. The water vapor adsorption capacities of ground or unground samples were shown to be very close, with the use of unground material being considered preferable due to the ease of operation and advantages in terms of safety and environmental sustainability. Comparing the samples with and without GO, it was observed that there was a strong decrease in the specific volume of pores for the sample with the insertion of graphene oxide associated with the fact that the graphene oxide suspension has an acid pH, causing an expressive reduction in the condensation rate during the formation of the silica network.
Assunto
Engenharia química, Ciência dos materiais, Sílica, Adsorção, Solventes, Grafeno
Palavras-chave
Sílica mesoporosa, TEOS, Sol-gel, Tratamento hidrotermal, Temperatura de gelificação, Solvente alcoólico, Adsorção, Óxido de grafeno
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