00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) IQB - Instituto de Química e Biotecnologia Dissertações e Teses defendidas na UFAL - IQB
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Tipo: Tese
Título: Utilização de Ni ancorado em argila bentonítica na reação de decomposição do metano para produção de carbono ordenado e “hidrogênio azul”
Título(s) alternativo(s): Use of Ni anchored in bentonite clay in the methane decomposition reaction to produce ordered carbon and “blue hydrogen”
Autor(es): Motta, Rayssa Jossanea Brasileiro
Primeiro Orientador: Almeida, Rusiene Monteiro de
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Dornelas, Camila Braga
metadata.dc.contributor.referee1: Galdino, Fabiane Caxico de Abreu
metadata.dc.contributor.referee2: Souza, Samuel Teixeira de
metadata.dc.contributor.referee3: Valentini, Antoninho
metadata.dc.contributor.referee4: Oliveira, Rodrigo José de
Resumo: A necessidade de encontrar meios que mitiguem os efeitos degradantes ao meio ambiente ocasionados pelo uso de combustíveis fósseis tem motivado buscas por alternativas de geração de energia que sejam limpas e eficientes. A decomposição catalítica do metano (DCM) utilizando argila como suporte catalítico se mostra promissora para produção de hidrogênio com baixo impacto ambiental, livre de CO2, gerando carbono sólido como subproduto de alto valor agregado. As argilas, pelas suas características, podem ser empregadas como suporte catalítico eficazes na DCM. O presente trabalho descreve a síntese e caracterização de catalisadores à base de Ni ancorados em argila bentonítica, in natura e modificada termicamente, e também, para fins de comparação, ancorados em alumina, para produção de carbono ordenado e hidrogênio via DCM. Os catalisadores foram sintetizados via impregnação úmida, com 5, 10 e 20 % de Ni (m/m), e um único catalisador com 20 % de Ni e argila bentonítica in natura, BSI, foi preparado via técnica de eletrofiação. Todos os catalisadores foram caracterizados por espectrometria de fluorescência de raios X por dispersão de energia (EDX), difração de raios X (DRX), análise termogravimétrica (TGA), adsorção e dessorção de N2 a 77 K, microscopia eletrônica e redução a temperatura programada (TPR) e testados na reação de DCM a 500 °C variando o tempo reacional (30, 180 e 240 min) e a concentração de metano (CH4/N2 = 1/6 e 1/1 (v/v)). A performance catalítica foi estudada a partir da conversão do metano, da estabilidade do catalisador, do rendimento em materiais carbonáceos e produção de hidrogênio. O carbono formado foi caracterizado por TGA, espectroscopia Raman, microscopias eletrônicas de transmissão (MET) e de varredura (MEV). Os resultados indicaram que a ancoragem de 10 e 20 % na BSI seguido da calcinação promoveram mudanças estruturais, delaminação total, das camadas de argila. Enquanto a ancoragem do NiO na argila modificada termicamente, BSI500, manteve sua estrutura delaminada. A localização final das partículas de NiO na superfície da argila bentonítica foi conduzida pelo tipo de delaminação, parcial ou total, que as camadas de argila sofreram, influenciando na força de interação entre metal-suporte (TPR). A síntese da amostra via técnica de eletrofiação, 20Ni-BSI-EC, facilitou uma forte interação entre NiO-BSI, prevenindo a aglomeração do NiO em partículas maiores. As alterações texturais e a mesoporosidade dos materiais foram confirmadas por adsorção e dessorção de N2 a 77 K. Todos os catalisadores sintetizados apresentaram atividade catalítica formando carbono ordenado e hidrogênio. Para os catalisadores testados na DCM durante 180 min, CH4 /N2 = 1/6 (v/v), a amostra com 10 % de Ni ancorado em BSI500, 10Ni-BSI500, apresentou a maior conversão de metano, com 62 %, seguido do catalisador ancorado em alumina 20Ni-Al2O3 (54 %). Em termos de rendimentos em materiais carbonáceos e em hidrogênio, nestas condições reacionais, 10Ni-BSI (32 %) e 20Ni-Al2O3 (30 %) apresentaram rendimento similares, mas quando testados durante 30 min, 20Ni-Al2O3 apresentou 95 % em rendimento, e 20Ni-BSI e 10Ni-BSI500 apresentaram 74 e 70%, respectivamente. Com uma alimentação de CH4 /N2 = 1/1 (v/v) durante 240 min de reação, 20Ni-BSI apresentou 99 % de rendimento em materiais carbonáceos e, também, em hidrogênio. Em termos quantitativos de massa de H2 gerado nas reações com alimentação CH4 /N2 = 1/6 (v/v) foi observada a seguinte sequencia decrescente de produção: 20Ni-Al2O3, 9 mg; 20Ni-BSI, 7 mg; 10Ni-BSI500, 6,5 mg nas reações em 30 min, e 10Ni-BSI, 20Ni-BSI, ~18 mg; 10Ni-BSI500, 20Ni- Al2O3, ~ 17,5mg nas reações de 180 min. Na reação em 240 min com fluxo CH4 /N2 = 1/1 (v/v) o 20Ni-BSI produziu 767 mg de H2 livre. Destacou-se que a interação metal-suporte permitiu a formação do carbono por mecanismos de crescimento pela base e pela ponta, cujos carbonos apresentaram ordenamento no formato de nanotubos de carbono com paredes múltiplas defeituosas.
Abstract: The need to find ways to mitigate the degrading effects on the environment caused by the use of fossil fuels has motivated searches for energy generation alternatives that are clean and efficient. The catalytic decomposition of methane (CDM) using clay as catalytic support becomes shows promising for the production of hydrogen with low environmental impact, free of CO2, generating solid carbon as a by-product of high added value. Clays, due to their characteristics, can be used as effective catalytic support in CDM. The present work describes the synthesis and characterization of Ni-based catalysts anchored in bentonite clay, in natura and thermally modified, and also, for comparison purposes, anchored in alumina, for the production of ordered carbon and hydrogen via CDM. The catalysts were synthesized via wet impregnation, with 5, 10 and 20% Ni (m/m), and a single catalyst with 20% Ni and in natura bentonite clay, BSI, was prepared via the electrospinning technique. All catalysts were characterized by energy dispersion X-ray fluorescence spectrometry (EDX), X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA), N2 adsorption and desorption at 77 K, electron microscopy and programmed temperature reduction. (TPR) and tested in the DCM reaction at 500 °C varying the reaction time (30, 180 and 240 min) and methane concentration (CH4/N2 = 1/6 and 1/1 (v/v)). The catalytic performance was studied from the methane conversion, catalyst stability, yield in carbonaceous materials and hydrogen production. The carbon formed was characterized by TGA, Raman spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM) and scanning (SEM). The results indicated that the anchoring of 10 and 20 % in BSI followed by calcination promoted structural changes, total delamination, of the clay layers. While the NiO anchoring in the thermally modified clay, BSI500, kept its delaminated structure. The final location of NiO particles on the surface of the bentonite clay was driven by the type of delamination, partial or total, that the clay layers underwent, influencing the strength of metalsupport interaction (TPR). The synthesis of the sample via electrospinning technique, 20NiBSI-EC, facilitated a strong interaction between NiO-BSI, preventing the agglomeration of NiO into larger particles. The textural changes and the mesoporosity of the materials were confirmed by adsorption and desorption of N2 at 77 K. All synthesized catalysts showed catalytic activity forming ordered carbon and hydrogen. For the catalysts tested in DCM for 180 min, CH4 /N2 = 1/6 (v/v), the sample with 10% Ni anchored in BSI500, 10Ni-BSI500, showed the highest methane conversion, with 62%, followed by of the alumina-anchored catalyst 20Ni-Al2O3 (54%). In terms of yields of carbonaceous materials and hydrogen, under these reaction conditions, 10Ni-BSI (32%) and 20Ni-Al2O3 (30%) showed similar yields, but when tested for 30 min, 20Ni-Al2O3 showed 95% yield, and 20Ni-BSI and 10Ni-BSI500 showed 74 and 70%, respectively. With a feed of CH4 /N2 = 1/1 (v/v) during 240 min of reaction, 20Ni-BSI showed 99% yield in carbonaceous materials and also in hydrogen. In quantitative terms of the mass of H2 generated in the reactions with feed CH4 /N2 = 1/6 (v/v) the following decreasing sequence of production was observed: 20Ni-Al2O3, 9 mg; 20Ni-BSI, 7mg; 10Ni-BSI500, 6,5 mg in 30 min reactions, and 10Ni-BSI, 20Ni-BSI, ~18 mg; 10Ni-BSI500, 20Ni-Al2O3, ~ 17,5mg in the 180 min reactions. In the reaction in 240 min with flow CH4 /N2 = 1/1 (v/v) the 20Ni-BSI produced 767 mg of free H2. It was highlighted that the metal-support interaction allowed the formation of carbon by growth mechanisms at the base and at the tip, whose carbons presented ordering in the form of carbon nanotubes with defective multiple walls.
Palavras-chave: Catalisadores suportados
Bentonita
Alumina
Nanotubos de carbono
Hidrogênio
Supported catalysts
Bentonite
Alumina
Carbon nanotubes
Hydrogen
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Química e Biotecnologia
Citação: MOTTA, Rayssa Jossanea Brasileiro. Utilização de Ni ancorado em argila bentonítica na reação de decomposição do metano para produção de carbono ordenado e “hidrogênio azul”. 2023. 169 f. Tese (Doutorado em Química e Biotecnologia) – Programa de Pós-Graduação em Química e Biotecnologia, Instituto de Química e Biotecnologia, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2022.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/11834
Data do documento: 24-nov-2022
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