ESTUDO DA TEMPERATURA DE SINTERIZAÇÃO DA γ-alumina UTILIZADA NA OBTENÇÃO DA MEMBRANA INORGÂNICA MCM-22

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1 ESTUDO DA TEMPERATURA DE SINTERIZAÇÃO DA γ-alumina UTILIZADA NA OBTENÇÃO DA MEMBRANA INORGÂNICA MCM-22 BARBOSA, A.S.(1); BARBOSA, A.S.(1); RODRIGUES, M.F.(1) 1 Universidade Federal de Campina Grande, Centro de Ciência e Tecnologia, Unidade Acadêmica de Engenharia Química, Av. Aprígio Veloso 882, Bodocongó, , Campina Grande PB, Brasil * antusiasb@hotmail.com RESUMO: A alumina é amplamente usada como suporte de catalisador devido a sua elevada estabilidade química, resistência e dureza. Especificamente, a γ- alumina tem uma área superficial elevada. O objetivo deste trabalho foi preparar a membrana cerâmica γ-alumina para ser utilizada na obtenção da membrana inorgânica MCM-22/γ-alumina. Os materiais preparados: membrana cerâmica γ- alumina e membrana inorgânica MCM-22/γ-alumina foram caracterizados por diferentes técnicas: Difração de Raios X (DRX) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Foi utilizado o método de prensagem de pó para compactação da membrana cerâmica γ-alumina. Através da análise de DRX, foi possível observar que o método utilizado foi eficaz na síntese das membranas cerâmicas. De acordo com os resultados foi possível obter γ-alumina com elevada pureza a partir de sulfato de alumínio. Além disso, o tratamento térmico usando sinterização a 700 C durante 1 hora foi eficaz na obtenção da membrana cerâmica γ-alumina sem a presença de outras fases. A membrana inorgânica foi obtida com sucesso. Palavras-chave: MCM-22, membrana inorgânica, γ-alumina. INTRODUÇÃO A alumina é um dos materiais cerâmicos mais importantes e utilizados atualmente, sendo empregada em várias áreas da engenharia, em aplicações que requerem desde resistência ao aquecimento e ao desgaste como também em áreas como a ótica e nos biomateriais [1, 2]. 186

2 Existe uma variedade de estruturas metaestáveis usadas dos óxidos de alumínio, que são geralmente chamadas de aluminas de transição, tais como η, χ, κ, ө, λ, δ e ɣ, assim como a fase α-al2o3 estável [3]. Especificamente, γ-alumina possui a área de superfície excelente devido à pequena dimensão das partículas, o que resulta em atividade superficial elevada. No entanto, partículas de γ-alumina de pequeno porte na ordem de nanómetros dependem das condições de preparação. Temperaturas altas de sinterização é um grande problema para γ-alumina, devido sua transformação de fase que ocorre a altas temperaturas podendo aumentar o tamanho das partículas da alumina pelo crescimento de grãos e reduzindo drasticamente sua área superficial específica [4]. Geralmente, a síntese de aluminas de transição consiste de dois processos: (i) preparação de sais hidratados de alumínio, (ii) transformação dos sais hidratados de alumínio para aluminas. O processo de transformação sempre acontece através de decomposição térmica (calcinação), e muitos esforços têm sido atribuídos à investigação da decomposição dos sais hidratos de alumínio [5]. A decomposição térmica desses sais de alumínio, assim como os hidróxidos de alumínio, resultam em aluminas de transição, de pureza muito elevada e partículas micrométricas e/ou nanométricas [6]. As membranas inorgânicas, tais como membranas cerâmicas e de carbono são bastante adequadas para processos que envolvem altas temperaturas e ambientes químicos agressivos e têm sido aplicadas com sucesso para o tratamento de águas residuais oleosas [7]. As membranas inorgânicas são usadas em diferentes aplicações, devido apresentar vantagens como: estabilidade a altas temperaturas e a resistência à pressão, boa estabilidade química, alta resistência mecânica, durabilidade e boas propriedades anti-incrustante. As membranas inorgânicas podem ser produzidas a partir de alumina, mulita, cordierita, sílica, zirconia e outros óxidos [8]. Este trabalho consiste em sintetizar a membrana cerâmica ɣ-alumina para utilização na obtenção da membrana inorgânica do tipo MCM-22/ɣ-alumina, avaliando a influência da temperatura de sinterizacão. 187

3 MATERIAIS E MÉTODOS Síntese da alumina: A síntese da alumina foi realizada por decomposição térmica do sulfato de alumínio (Al2(SO4)3.16H2O) P.A, em forno mufla, a uma temperatura de 1000 C, utilizando taxa de aquecimento de 5ºC/min e patamar de 2 horas. Preparação da membrana cerâmica: Preparou-se 200 ml de dispersão com a seguinte composição: 40% de alumina obtida anteriormente; 0,2% de PABA ácido paraamino benzóico (dissolvido em álcool); 0,5 % de ácido oléico (lubrificante) e 59,3 % de álcool etílico. Moeu-se a mistura durante 1 hora em um moinho de bolas e então colocou-se na estufa por 24 horas a 60ºC; umidificou-se com 7 % de água, deixou-se repousar por 24 horas. Pesou-se 3 g do material e colocou-se no molde. A prensagem foi realizada com 4 toneladas. Estudo térmico (sinterização): O material prensado foi submetido a sinterização a várias temperaturas: 500 C, 600 C, 700 C, 750 C, 800 C, 900 C, 950 C, 1000 C e 1100 ºC com taxa de aquecimento de 5 ºC/min por 1 hora. Sintese da membrana inorgânica: Neste método foi realizada uma mistura mecânica (manualmente) dos dois sólidos: zeólita MCM-22 (sintetizada com 10 dias de tratamento hidrotérmico) e da membrana cerâmica (ɣ-alumina) obtido anteriormente. Após a mistura mecânica foi realizada uma nova presangem mecânica com 4 toneladas por 10 segundos e em seguida a membrana foi levada à mufla a 700 ºC com taxa de aquecimento de 5 C/min durante 1 hora. Difração de raios X (DRX) Neste trabalho foi utilizado o método de varredura que consiste na incidência dos raios X sobre a amostra em forma de pó, compactada sobre um suporte. O aparelho utilizado é da marca Shimadzu XRD-6000 com radiação CuKα, tensão de 40 KV, corrente de 30 ma, tamanho do passo de 0,020 em 2Ɵ e tempo por passo de 1,0 s, com velocidade de varredura de 2º(2θ)/min, com ângulo 2θ percorrido de 2 a 80º, pertencente ao Laboratório de Desenvolvimento de Novos Materiais - LABNOV 188

4 (1 1 1) Intensidade (u.a.) (5 1 1) (2 2 0) (2 2 2) (3 1 1) (4 0 0) (4 4 0) 60º Congresso Brasileiro de Cerâmica da Unidade Acadêmica de Engenharia Química (UAEQ) da Universidade Federal de Campina Grande (UFCG). Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Nas análises de Microscopia Eletrônica de Varredura foi utilizado um microscópio eletrônico de varredura Shimadzu, SSX-550 Superscan. Esta análise foi realizada no Laboratório de Caracterização de Materiais da Unidade Acadêmica de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Campina Grande. RESULTADOS E DISCUSSÕES O difratograma da ɣ-alumina (pó), obtida a partir da decomposição térmicas do sulfato de alumínio esta apresentada na Figura 1, com varredura entre 5 e 70 C alumina ( ) Figura 1. Difratogramas da ɣ-alumina (pó), obtida a partir da decomposição térmica (temperatura de 1000 C/2h), do sulfato de alumínio. 189

5 A Figura 1 mostra o difratograma de raio X, após a decomposição térmica a uma temperatura de 1000 C do sulfato de alumínio por um tempo de 2h, conforme descrito na parte experimental. É possível observar picos bem resolvidos nos intervalos de 2θ= 19, 2θ= e 2θ= 60-67, em ambas as amostras, sendo os mesmos característicos da formação da ɣ-alumina (ficha padrão JCPDS Card No ). A amostra foi composta por uma única fase bem cristalina da ɣ-alumina sem a presença de impurezas [9]. Os padrões de raios X da membrana cerâmica obtido após moagem, conformação e compactação da ɣ-alumina, após tratamento térmico (500, 600, 700, 750, 800, 900, 950, 1000 e 1100 C), são apresentados na Figura 2. Para um tempo de tratamento termico de 1 hora, variando as temperaturas de 500, 600, 800, 950 e 1000 ºC, constata-se que os difratogramas apresentaram os picos característicos da fase gama alumina, juntamente com a fase delta e teta. Nas temperaturas de 700 e 750 ºC, foi mantida a fase da gama alumina pura, sem presença de impurezas. A temperatura de 900 C observa-se a fase da gama alumina pura sem a presença do primeiro pico. Na temperatura de 1100 ºC foi mantida a presença da fase gama-alumina com presença de picos caracteristicos da alfa-alumina. A temperatura ótima de tratamento termico deve limitar-se a faixa de C durante 1 hora, visto que nessas temperaturas é possivel obter um material puro e livre de impurezas. 190

6 Intensidade (u.a.) 60º Congresso Brasileiro de Cerâmica 1100 C/1h 1000 C/1h 950 C/1h 900 C/1h 800 C/1h 750 C/1h 700 C/1h 600 C/1h 500 C/1h ( ) Figura 2. Difratogramas das membranas cerâmicas obtido após moagem, conformação e compactação da ɣ-alumina, após tratamento térmico: 500, 600, 700, 750, 800, 900, 950, 1000 e 1100 C, por um período de 1hora. 191

7 A Figura 3 apresenta a imagem obtida por microscopia eletrônica de varredura da ɣ-alumina. Figura 3. Micrografia da ɣ-alumina, obtida a partir da decomposição térmica a uma temperatura de 1000 C/2h, do sulfato de alumínio, ampliadas vezes. Observou-se uma estrutura formada por aglomerados de partículas, também sendo possível observar uma estrutura homogênea e com presença de poros, resultado semelhante foi observado na literatura [10]. Na Figura 4 mostra o difratograma de raios X da membrana inorgânica. Os picos relativos para os padrões de DRX da membrana inorgânica MCM- 22/ɣ-alumina demonstrado na Figura 3 sintetizada através da mistura mecânica, apresentam picos característicos àqueles encontrados para a zeólita em pó MCM-22 [11] juntamente com os picos característicos da membrana cerâmica observados na Figura 1, o que indica que a membrana inorgânica típica MCM-22 foi obtida com êxito. 192

8 Intensidade (u.a.) 60º Congresso Brasileiro de Cerâmica 600 MCM-22/-alumina Figura 4. Difratograma da membrana inorgânica MCM-22/ɣ-alumina. CONCLUSÃO É possível obter a ɣ-alumina com elevado grau de pureza, a partir do sulfato de alumina, como tem sido encontrado na literatura. Alem disso, o tratamento térmico de sinterizacão utilizando 700 C por 1 hora, mostra-se efetivo na obtenção da ɣ-alumina sem presença de outras fases. A membrana inorgânica foi obtida com êxito. REFERÊNCIAS 1. BARZEGAR-BAFROOEI, H.; EBADZADEH, T. Synthesis of nanocomposite powders of c-alumina-carbon nanotube by sol gel method. Advanced Powder Technology, v.22, p ,

9 2. CARTAXO, J. M.; GALDINO, M. N.; MENEZES, R. R.; FERREIRA, H. S.; NEVES, G. A. Síntese de α-alumina utilizando acetato de alumínio. Revista Eletrônica de Materiais e Processos, v.6.3, p , JIAO, W. Q.; YUE, M. B.; WANG, Y. M.; HE, M-Y. Synthesis of morphologycontrolled mesoporous transition aluminas derived from the decomposition of alumina hydrates. Microporous and Mesoporous Materials. v.147, p , ITOH, N.; ISHIDA, J.; KIKUCHI, Y.; SATO, T.; HASEGAWA, Y. Continuous dehydration of IPA water mixture by vapor permeation using Y type zeolite membrane in a recycling system. Separation and Purification Technology. v. 16, p , ZHU, L.; PU, S.; LIU, K.; ZHU, T.; LU, F.; Li, J. Preparation and characterizations of porous γ-al2o3 nanoparticles. Materials Letters. v.83, p.73 75, TOMASI, R. Estudo experimental da pirólise de cristais de cloreto de alumínio hexahidratado f. Tese em Engenharia. Departamento de Engenharia Química, Universidade de São Paulo, São Paulo, CHEN, W.; SU, Y.; ZHENG, L.; WANG, L.; JIANG, Z. The improved oil/water separation performance of cellulose acetate-graft-polyacrylonitrile membranes. Journal of Membrane Science. v.337, p , GALLEGO-LIZON, T.; EDWARDS, E.; LOBIUNDO, G.; SANTOS, L.F.D. Dehydration of water/t-butanol mixtures by pervaporation: comparative study of commercially available polymeric, microporous silica and zeolite membranes. Journal of Membrane Science. v.197, p , GHAMSARI, M. S.; MAHZAR, Z. A. S.; RADIMAN, S.; HAMID, A. M. A.; 194

10 KHALILABAD, SH. R. Facile route for preparation of highly crystalline γ- Al2O3 nanopowder. Materials Letters. v.72, p.32 35, ABEDINI, S.; PARVIN, N.; ASHTARI., P. Preparation, characterization and microstructural optimization of a thin _-alumina membrane on a porous stainless steel substrate. Materials Science and Engineering A. v.533, p.1 8, LAWTON, S. L.; FUNG, A. S.; KENNEDY, G. J.; ALEMANY, L. B.; CHANG, C., D.; HATZIKOS, G. H.; LISSY, D. N.; RUBIN, M. K.; TIMKEN, H. K. C.; STEUERNAGEL, S.; WOESSNER, D. E. Zeolite MCM-49: A Three-Dimensional MCM-22 Analogue Synthesized by in Situ Crystallization. Journal of Physical and Chemical, v. 100, n.9, p ,

11 SINTERING TEMPERATURE STUDY OF γ-alumina MEMBRANE USED IN OBTAINING INORGANIC MCM-22 ABSTRACT Alumina is widely used as catalyst support due to its high chemical stability, strength and hardness. Specifically, the γ-alumina has a high surface area. The objective was to prepare the γ-alumina ceramic membrane to be used in obtaining the inorganic membrane MCM-22/γ-alumina. The prepared materials: ceramic membrane γ- alumina inorganic membrane and MCM-22/γ-alumina were characterized by different techniques: X-Ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM). It used the powder pressing method for compression of γ-alumina ceramic membrane. Through XRD analysis, it was observed that the method was effective in the synthesis of ceramic membranes. According to the results was possible to obtain high purity γ-alumina from aluminum sulfate. Furthermore, the heat treatment using sintering at 700 C for 1 hour was effective in obtaining γ-alumina ceramic membrane without the presence of other phases. The inorganic membrane was successfully obtained. Keywords: MCM-22; inorganic membrane; γ-alumina. 196