Registro fonte: Síntese e caracterização da estrutura metal orgânica uio-66 superácida e sua aplicação em catálise para a produção de ésteres etílicos de ácidos graxos

Síntese e caracterização da estrutura metal orgânica uio-66 superácida e sua aplicação em catálise para a produção de ésteres etílicos de ácidos graxos

Facing the need of developing technologies for biofuels, this work has as general objective the synthesis of the structures and evaluation of the catalytic behavior of the Metal-Organic Structures (MOFs) UiO-66 in esterification/transesterification reactions of soybean degummed oil with ethyl alcoho...

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Autor principal:	Bento, Ivan Edimar
Formato:	Dissertação
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2022
Assuntos:	Catálise Biocombustíveis Biodiesel Catalysis Biomass energy Biodiesel fuels CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA Engenharia Química
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/29414
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id	riut-1-29414
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spelling	riut-1-294142022-08-27T06:06:46Z Síntese e caracterização da estrutura metal orgânica uio-66 superácida e sua aplicação em catálise para a produção de ésteres etílicos de ácidos graxos Bento, Ivan Edimar Berezuk, Marcio Eduardo https://orcid.org/0000-0002-6651-1351 http://lattes.cnpq.br/4700434717490143 Moises, Murilo Pereira https://orcid.org/0000-0003-1809-3631 http://lattes.cnpq.br/1746616430423573 Berezuk, Marcio Eduardo https://orcid.org/0000-0002-6651-1351 http://lattes.cnpq.br/4700434717490143 Gomes, Maria Carolina Sergi https://orcid.org/0000-0003-2210-0275 http://lattes.cnpq.br/1382247871161845 Moises, Murilo Pereira https://orcid.org/0000-0003-1809-3631 http://lattes.cnpq.br/1746616430423573 Arroyo, Pedro Augusto https://orcid.org/0000-0001-7350-0469 http://lattes.cnpq.br/9376203096430598 Samulewski, Rafael Block https://orcid.org/0000-0003-0681-9271 http://lattes.cnpq.br/1426872141867092 Catálise Biocombustíveis Biodiesel Catalysis Biomass energy Biodiesel fuels CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA Engenharia Química Facing the need of developing technologies for biofuels, this work has as general objective the synthesis of the structures and evaluation of the catalytic behavior of the Metal-Organic Structures (MOFs) UiO-66 in esterification/transesterification reactions of soybean degummed oil with ethyl alcohol. The development of the work consisted in the synthesis and characterization of the metal organic framework UiO-66 in original form and containing post-synthesis modifications for the increase of its surface acidity and the application of these materials in acid catalysis for the production of fatty acid ethyl esters. The synthesis of the metal organic UiO-66 structure was carried out via solvothermal and the post-synthesis acid modifications were performed by sulfation reactions. Three procedures were performed: heating to 150 °C and two sulfation processes in different concentrations of sulfuric acid containing solution. The materials were characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Diffractometry (XRD), X-ray Fluorescence (XRF), Nitrogen Adsorption/ Desorption (BET), Scanning Electron Microscopy (SEM-EDS) and Apparent Acidity (pH) analyses. The synthesis of UiO-66 obtained 86% yield with respect to the theoretical stoichiometry. Infrared spectroscopy provided information about the main characteristics of the chemical bonds between the organic part of terephthalic acid and the zirconia-containing cores. The XRD evaluation indicated the presence of signals characteristic of the UiO-66 structure, however, the addition of sulfuric acid in the sulfation step generated important crystalline modifications in its structure. The XRF analysis provided information about the metal oxides and sulfate ions present in the analyzed samples. Nitrogen Adsorption/ Desorption (BET) analysis found that the original UiO-66 structure has a specific area as described in the literature, which depending on the synthesis method can range from 800 to 1200 m2 g-1. The postsynthesis modifications reduced this specific area in the sulfated structures. Scanning Electron Microscopy (SEM-EDS) provided a visual evaluation of the main crystalline modifications and with the EDS technique coupled to the SEM it was possible to add with the (FRX) and (FTIR) analyses and observe the insertion of the sulfate ions in the modified structures. With the Apparent Acidity (pH) test it was found that, with the insertion of sulfate ions in the structure, the pH reduced its value and this behavior gave a higher acidity to the structure analyzed. After the characterization of the material and following an experimental planning 23 with face centered central compound, the esterification/transesterification reactions of the degummed soybean oil were performed, aiming to determine the best reaction conditions. With the help of statistical analysis the best performing catalyst and the best reaction conditions for the catalyst reuse study were determined, reaching ethyl ester yields up to 95% with the UiO-66-S35 structure and keeping the catalyst active for three cycles. Diante da necessidade do desenvolvimento de tecnologias para biocombustíveis, este trabalho tem como objetivo geral a síntese das estruturas e avaliação do comportameto catalítico das Estruturas Metal-Orgânicas (MOFs) UiO-66 em reações de esterificação/transesterificação do óleo degomado de soja com álcool etílico. O desenvolvimento do trabalho consistiu na síntese e caracterização da estrutura metal orgânica UiO-66 de forma original e contendo modificações pós-síntese para o aumento de sua acidez superficial e a aplicação destes materiais na catálise ácida para produção de ésteres etílicos de ácidos graxos. Foi realizada a síntese da estrutura metalorgânica UiO-66 via solvotérmica e as modificações ácidas pós-síntese foram realizadas por reações de sulfatação. Foram realizados três procedimentos: aquecimento a 150 ºC e dois processos de sulfatação em concentrações distintas de solução contendo ácido sulfúrico. Os materiais foram caracterizados por análise de Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Difratometria de Raios X (DRX), Fluorescência de Raios X (FRX), Adsorção/Dessorção de Nitrogênio (BET), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV–EDS) e Acidez Aparente (pH). A síntese da UiO-66 obteve 86% de rendimento em relação à estequiometria teórica. A espectroscopia na região infravermelho forneceu informações a respeito das principais características de ligações químicas entre a parte orgânica do ácido tereftálico com os núcleos contendo a zircônia. A avalição pelo ensaio de DRX indicou a presença de sinais característicos à estrutura UiO-66, porém, a adição de ácido sulfúrico na etapa de sulfatação gerou importantes modificações cristalinas em sua estrutura. A análise de FRX forneceu informações sobre os teores de óxidos dos metais e de íons sulfato presente nas amostras analisadas. A análise de Adsorção/Dessorção de Nitrogênio (BET) constatou que a estrutura UiO-66 original possui área específica conforme a descrita na literatura que dependendo do método de síntese pode oscilar ente 800 a 1200 m2 g-1. As modificações pós-síntese reduziram esta área específica nas estruturas sulfatadas. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV–EDS) forneceu uma avaliação visual das principais modificações cristalinas e com a técnica de EDS acoplada ao (MEV) foi possível somar com as análises de (FRX) e (FTIR) e observar a inserção dos íons sulfato nas estruturas modificadas. Com ensaio de Acidez Aparente (pH) foi constatado que, com a inserção de íons sulfato na estrutura, o pH reduzia o seu valor e este comportamento conferia uma acidez maior à estrutura analisada. Após a caracterização do material e seguindo um planejamento experimental 23 com composto central centrado na face, foram executadas as reações de esterificação/transesterificação do óleo de soja degomado, com o objetivo de determinar melhores condições reacionais. Com o auxilio da análise estatística foi determinado o catalisador de melhor desempenho e as melhores condições reacionais para o estudo de reúso do catalisador, atingindo um rendimento em ésteres etílicos de até 95 % com a estrutura UiO-66-S35 e mantendo o catalisador ativo por três ciclos 2022-08-26T13:49:26Z 2022-08-26T13:49:26Z 2022-03-31 masterThesis BENTO, Ivan Edimar. Síntese e caracterização da estrutura metal orgânica uio-66 superácida e sua aplicação em catálise para a produção de ésteres etílicos de ácidos graxos. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Apucarana, 2022. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/29414 por openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.pt_BR application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Apucarana Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química UTFPR
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description	Facing the need of developing technologies for biofuels, this work has as general objective the synthesis of the structures and evaluation of the catalytic behavior of the Metal-Organic Structures (MOFs) UiO-66 in esterification/transesterification reactions of soybean degummed oil with ethyl alcohol. The development of the work consisted in the synthesis and characterization of the metal organic framework UiO-66 in original form and containing post-synthesis modifications for the increase of its surface acidity and the application of these materials in acid catalysis for the production of fatty acid ethyl esters. The synthesis of the metal organic UiO-66 structure was carried out via solvothermal and the post-synthesis acid modifications were performed by sulfation reactions. Three procedures were performed: heating to 150 °C and two sulfation processes in different concentrations of sulfuric acid containing solution. The materials were characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Diffractometry (XRD), X-ray Fluorescence (XRF), Nitrogen Adsorption/ Desorption (BET), Scanning Electron Microscopy (SEM-EDS) and Apparent Acidity (pH) analyses. The synthesis of UiO-66 obtained 86% yield with respect to the theoretical stoichiometry. Infrared spectroscopy provided information about the main characteristics of the chemical bonds between the organic part of terephthalic acid and the zirconia-containing cores. The XRD evaluation indicated the presence of signals characteristic of the UiO-66 structure, however, the addition of sulfuric acid in the sulfation step generated important crystalline modifications in its structure. The XRF analysis provided information about the metal oxides and sulfate ions present in the analyzed samples. Nitrogen Adsorption/ Desorption (BET) analysis found that the original UiO-66 structure has a specific area as described in the literature, which depending on the synthesis method can range from 800 to 1200 m2 g-1. The postsynthesis modifications reduced this specific area in the sulfated structures. Scanning Electron Microscopy (SEM-EDS) provided a visual evaluation of the main crystalline modifications and with the EDS technique coupled to the SEM it was possible to add with the (FRX) and (FTIR) analyses and observe the insertion of the sulfate ions in the modified structures. With the Apparent Acidity (pH) test it was found that, with the insertion of sulfate ions in the structure, the pH reduced its value and this behavior gave a higher acidity to the structure analyzed. After the characterization of the material and following an experimental planning 23 with face centered central compound, the esterification/transesterification reactions of the degummed soybean oil were performed, aiming to determine the best reaction conditions. With the help of statistical analysis the best performing catalyst and the best reaction conditions for the catalyst reuse study were determined, reaching ethyl ester yields up to 95% with the UiO-66-S35 structure and keeping the catalyst active for three cycles.
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