Síntese, caracterização e avaliação de zircônia sulfatada como catalisador na transesterificação da triacetina

Abstract

Os catalisadores são amplamente utilizados tanto em escalas industrial como laboratorial. Em laboratórios, os catalisadores desempenham função fundamental nas reações químicas, uma vez que os catalisadores proporcionam um caminho reacional diferente, com menor energia de ativação, fazendo com que a reação catalítica seja mais rápida do que a versão não catalisada da mesma reação. Neste trabalho, o catalisador zircônia sulfatada foi sintetizado utilizando a metodologia de impregnação com solvente, seguida de sua caracterização por técnicas avançadas, e avaliação do seu comportamento como catalisador heterogêneo na reação de transesterificação da triacetina com metanol. Foram investigados estudos cinéticos da reação, tais como a ordem da reação e a energia de ativação. Os efeitos dos principais parâmetros da reação, como a estequiometria dos reagentes, a temperatura da reação e o teor do catalisador, também foram avaliados. O reuso e a possível lixiviação do catalisador também foram investigados. O método utilizado na síntese do catalisador demonstrou-se eficiente, considerando os resultados de FT-IR, DRX, MEV/EDS, BET, acidez e TGA. Adicionalmente, o catalisador apresentou uma elevada atividade catalítica, alcançando, conversão máxima de 99% nas condições de 120 oC, 5 % m/m de catalisador e razão molar de 20:1 de metanol:triacetina. O processo de reutilização do catalisador apresentou uma redução significativa na atividade catalítica da SZr após dois ciclos, confirmando assim, sua desativação para as condições em que o mesmo foi sintetizado. O estudo dos principais parâmetros da reação mostrou que a conversão satisfatória foi alcançada para as condições de temperatura de 120 oC, para os níveis estudados 70, 90, 110, 120, 130 e 150 oC; teor de catalisador de 5%, para os níveis estudados de 1, 2, 3, 4 e 5%; e razão molar de metanol:triacetina para os níveis de 3:1, 6:1, 9:1, 12:1 e 20:1. Para o estudo cinético, os resultados mostraram que a reação se ajusta melhor ao modelo de primeira ordem em relação à concentração de triacetina, para qualquer temperatura estudada e a energia de ativação encontrada foi de 58,22 kJ.mol -1 .The catalysts are widely used in both industrial and laboratory scales. In laboratories, catalysts play a fundamental role in chemical reactions, since the catalysts provide a different reaction path, with lower activation energy, making the catalytic reaction faster than the uncatalyzed version of the same reaction. In this work, the sulfated zirconia catalyst was synthesized using the solvent impregnation methodology, followed by its characterization by advanced techniques, and evaluation of its behavior as a heterogeneous catalyst in the transesterification reaction of triacetin with methanol. Kinetic studies of the reaction, such as reaction order and activation energy, were investigated. The effects of the main reaction parameters, such as the stoichiometry of the reactants, the reaction temperature and the catalyst content, were also evaluated. The reuse and possible leaching of the catalyst were also investigated. The method used in the synthesis of the catalyst was efficient, considering the results of FT-IR, DRX, MEV/EDS, BET, acidity and TGA. In addition, the catalyst showed a high catalytic activity, achieving maximum conversion of 99% under the conditions of 120 °C, 5% m/m catalyst and 20: 1 molar ratio of methanol:triacetin. The catalyst reuse process showed a significant reduction in the catalytic activity of the SZr after two cycles, confirming its deactivation to the conditions in which it was synthesized. The study of the main parameters of the reaction showed that the satisfactory conversion was achieved for the temperature conditions of 120 °C, for the studied levels 70, 90, 110, 120, 130 and 150 °C; catalyst content of 5%, for the studied levels of 1, 2, 3, 4 and 5%; and methanol: triacetin molar ratio at the levels of 3:1, 6:1, 9:1, 12:1 and 20:1. For the kinetic study, the results showed that the reaction better adjusted to the first-order model in relation to the triacetin concentration, for any temperature studied, and the activation energy was 58.22 kJ.mol -1 .