Projeto de reator, síntese de (nano)catalisador óxido de ferro e decomposição catalítica de peróxido de hidrogênio

Orientadora : Drª. Tirzhá Lins Porto DantasCoorientadora: Drª. Regina Maria Matos JorgeDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Mestrado Profissional em Meio Ambiente Urbano e Industrial. Defesa: Curitiba, 11/02/2015Inclui referências : f. 67-76Resumo: A utilização de partículas em tamanho nano encontra promissoras aplicações em muitas ciências uma vez que, em tamanhos reduzidos, as partículas tendem a ter sua área superficial e, consequentemente, a quantidade de sítios disponíveis aumentada. Os óxidos de ferro são utilizados como catalisadores de diversas reações; devido à sua porosidade são adsorventes eficientes; e na área de tratamento de efluentes têm importante aplicação já que podem ser utilizados como catalisadores na decomposição de peróxido de hidrogênio (H2O2), formando radicais com elevado poder oxidante. Este trabalho tem como objetivo projetar um reator e sintetizar maghemita pelo método hidrotérmico a partir de precursor inorgânico: Cloreto férrico (FeCl3.6H2O), Hidrogenofosfato de Sódio (NaHPO4.H2O) e Sulfato de Sódio (Na2SO4). O reator para síntese foi projetado para garantir um sistema fechado sob pressão e foi confeccionado em aço inoxidável 304. Uma solução aquosa dos sais foi tratada a 220 oC por 48h para sintetizar Hematita, -Fe2O3. As partículas de Hematita foram submetidas a um tratamento térmico a 360 oC em atmosfera isenta de oxigênio por 5h para a redução a magnetita, Fe3O4. As partículas de magnetita foram expostas ao ar a 240 oC por 2h para obter a Maghemita, -Fe2O3. As partículas sintetizadas foram caracterizadas por medidas de isotermas de sorção de nitrogênio líquido, Espectroscopia de Fotoelétrons de Raios- X (XPS) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Estas análises de caracterização mostraram que as partículas apresentam uma área específica de 20,23 m2.g-1, dimensões em torno de 200 nm e são compostas em grande parte de óxido de ferro. Testes de verificação da capacidade catalítica das partículas sintetizadas foram realizados. Em pH próximo a 3,0 foi possível a decomposição de aproximadamente 30% de peróxido de hidrogênio com uma relação Fe/H2O2 de aproximadamente 70 em 240min. A cinética de decomposição do peróxido de hidrogênio foi descrita de acordo com o mecanismo de Langmuir-Hinshelwood. Palavras-chave: maghemita, síntese hidrotérmica, óxido de ferro, nanopartículas, decomposição catalítica.Abstract: The use of nanoparticles finds promising applications in several sciences since they have a greater superficial area and, consequently, more sites avaiable. The iron oxides, are object of a number of researches. They are used as catalysts of various reactions; on account on their porosity they are eficient adsorbers; and on wastewater treatment can decompose hydrogen peroxide (H2O2) to generate hidroxil radical (OH") that could decompose organic compounds. In this work a reactor was built and maghemite was sinthesized by a hidrotermal method using ferric chloride (FeCl3.6H2O) as iron precursor, NaH2PO4.H2O and Na2SO4. The synthesis reactor was designed to assure a closed system under high pressure and built with stainless steel 304. An aqueous solution of the three salts was treated at 220 °C for 48 h to synthesize hematite, -Fe2O3. These particles were termically treated at 360 °C under a continuous hydrogen/argon gas flow (8% H2:92% Ar) for 5 h in order to reduce to magnetite, Fe3O4. Then the maghemite, -Fe2O3, was obtained by oxidation of magnetite powder by exposure to air at 240 °C for 2 h. The characterization of the synthesized particles was reached by measuring liquid nitrogen adsorption isotherms, X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Scanning Electron Microscopy (SEM). The obtained particles have an specific area of 20,23 m2.g-1 and a diameter cerca 200 nm. In order to verify the catalytic activity tests were performed. With a pH around 3,0 was obtained a catalytic decomposition of the hydrogen peroxide close to 30% in 240 min, with an Fe/H2O2 ratio equal 70. The hydrogen peroxide decomposition kinetics was described with the Initial Rate Method and the Langmuir-Hinshelwood mechanism. Key Words: maghemite, hidrothermal synthesis, iron oxide, nanoparticules, catalytic decomposition