Efeito do método de preparação nas propriedades catalíticas de óxidos de ferro contendo alumínio

Abstract

Foi estudado o efeito do método de preparação nas propriedades catalíticas de óxidos de ferro contendo potássio com o objetivo de obter sólidos eficientes para catalisar a desidrogenação do etilbenzeno em presença de vapor d´água, a principal rota comercial para a produção de estireno. Este monômero é um produto químico de alto valor comercial utilizado na manufatura de polímeros e resinas, entre outras aplicações. Devido à toxidez dos catalisadores comerciais, existe a necessidade de investigar sólidos alternativos. As amostras baseadas em óxido de ferro contendo alumínio (Fe/Al (molar)= 10), ou não, foram preparados por hidrólise de nitrato de ferro e de alumínio com hidróxido de potássio pela adição de soluções: (i) do agente precipitante sobre a solução dos sais metálicos; (ii) dos sais metálicos (separadas) sobre a solução de hidróxido de potássio; (iii) dos sais metálicos (misturadas) sobre a solução do agente precipitante; (iv) dos sais metálicos (misturadas) e da solução do agente precipitante sobre a água; (v) do nitrato de ferro e da solução de hidróxido de potássio sobre a água, seguida de impregnação do gel obtido com solução de nitrato de alumínio; (vi) do nitrato de ferro e da solução de hidróxido de potássio sobre a água, seguida da impregnação do gel com solução de nitrato de alumínio e (vii) do agente precipitante sobre a solução do sal de ferro, seguido da impregnação com solução de nitrato de alumínio. As amostras foram caracterizadas por análise química, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, medidas de área de superficial específica, difração de raios X, redução a temperatura programada e espectroscopia fotoeletrônica de raios X. Os catalisadores foram avaliados em um microreator de leito fixo, a 1 atm e 530 ° C, utilizando uma razão molar vapor d´água/ etilbenzeno de 10. Após a reação, os catalisadores foram caracterizados por medidas de área superficial específica e difração de raios-X. Em todos os casos, foi produzida hematita (-Fe2O3) e não foi detectada nenhuma fase contendo potássio ou alumínio. Observou-se que a ação do alumínio sobre a hematita depende amplamente do método de preparação. A área superficial específica pode variar, dependendo da forma de introdução de alumínio no sólido: ela pode aumentar ou diminuir, dependendo do emprego da impregnação ou da precipitação, respectivamente. A redutibilidade dos sólidos também varia com o alumínio, dependendo do método de preparação; a amostra mais redutível é obtida pela adição da solução de hidróxido de potássio sobre a solução de nitrato de ferro e de alumínio, enquanto a menos redutível é obtida pela adição dos reagentes sobre a água, na ausência de alumínio. O método de preparação também afeta a ação do alumínio sobre a atividade de hematita na desidrogenação do etilbenzeno em presença de vapor. Em geral, quando o alumínio é adicionado ao sólido por precipitação são obtidos catalisadores mais ativos, em relação ao método de impregnação. Em todos os casos, o papel de alumínio, bem como do método de preparação, em afetar a atividade catalítica está mais relacionado à atividade intrínseca do que à área superficial específica. Dentre os métodos estudados, aquele em que uma solução de hidróxido de potássio é adicionada a uma solução de nitrato de ferro e alumínio, produziu catalisadores mais ativos em presença ou não de alumínio. Estes materiais apresentaram elevado rendimento a estireno, mas também foram seletivos aos subprodutos. O catalisador mais promissor para a produção de estireno foi aquele preparado por adição de uma solução de nitrato de ferro e alumínio a uma solução de hidróxido de potássio. Este método produziu um catalisador que levou ao rendimento a estireno mais elevado, com baixa seletividade a benzeno e tolueno e alta estabilidade, alcançada após 5000 s de reação.