Síntese, caracterização e atividade de fotocatalisadores suportados de óxido de zinco em zeólitas

Abstract

Diversas abordagens têm sido propostas para facilitar o maior uso da fotocatálise para o tratamento de poluentes recalcitrantes. Uma delas, consiste em buscar fotocatalisadores com propriedades semelhantes ao do mais estudado (TiO2) e uma outra, de que a fase foto-ativa possa ser economizada, e se possível, reutilizada. Nesse sentido, essas duas abordagens são envolvidas no presente estudo: catalisadores de ZnO suportados em zeólitas. Sintetizou-se catalisadores de ZnO impregnados em três zeólitas de uso comercial NaA, NaY e USY por métodos de impregnação úmida e deposição. Os catalisadores foram caracterizados por espectroscopia de absorção atômica, difratometria de raios-X, espectroscopia no infravermelho, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de transmissão, análise textural mediante fissiossorção de N2 e CO2 e ponto de carga zero. A atividade fotocatalítica foi investigada usando o ácido salicílico (1,00x10-4 mol/L) como substrato modelo para a reação de fotodegradação em dois sistemas foto-reatores diferentes: o primeiro, consistindo de um foto-reator convencional com lâmpada de mercúrio de alta pressão de 250 W sem o bulbo e o segundo, um mini-reator consistindo de um dispositivo LED-UV de 5W com monitoramento contínuo e simultâneo da fotorreação no interior de cubetas de quartzo via espectrofotometria UV-Vis. Os catalisadores sintetizados por impregnação úmida tiveram a cristalização do ZnO regulada pelo tamanho dos microporos. No catalisador 10NaA, o ZnO cristalizou na parte externa em cristalitos pequenos e no 10NaY e 10USY no interior dos microporos. Como consequência, a atividade desses três catalisadores foi baixa. Os catalisadores obtidos por deposição apresentaram cristalitos de ZnO maiores e com maior porcentagem de cristalinidade o que contribuiu para maior atividade destes do que aqueles preparados por impregnação úmida. Dos três catalisadores obtidos por deposição, o mais ativo para a degradação do ácido salicílico foi o 10USY, provavelmente por ser o que apresenta a maior área externa (83,5 m2/g) o que favorece o ataque das espécies oxidativas ao substrato. Estudos de pH foram realizados indicando que este parâmetro exerce influência significativa na fotodegradação do AS com ZnO puro mas pouco afeta na ação dos catalisadores suportados. Dessa forma, em pH 8,0, a dosagem ótima do catalisador foi de 3,00 g/L. Comparativamente os estudos entre os foto-reatores convencional e com dispositivo LED-UV, as constantes de velocidade para a degradação do ácido salicílico foram menores nas condições ótimas com o sistema LED-UV ([ZnO] = 0,20 g/L; k = 5,72 x10-3 min-1) em relação ao foto-reator convencional ([ZnO] = 3,00 g/L; k = 18,21 x10-3 min-1), em pH 8,0. Mesmo assim, o sistema LED-UV com monitoramento contínuo foi considerado um sistema satisfatório e muito interessante para o estudo de reações fotocatalíticas

Several approaches have been proposed to facilitate greater use of photocatalysis to treat recalcitrant pollutants. One of them consists in seeking photocatalysts with similar properties to the most studied (TiO2) and another of the photo-active phase can be saved and reused if possible. In this sense, these two approaches are involved in this study: ZnO catalysts supported on zeolites. It was synthesized ZnO catalysts impregnated in three industrial use zeolites NaA, NaY and USY by wet impregnation and deposition methods. The catalysts were characterized by atomic absorption spectroscopy, X-ray diffraction, infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, transmission electron microscopy, textural analysis by physisorption N2 and CO2 and zero point charge. The photocatalytic activity was investigated using the salicylic acid (1,00x10-4 mol/L) as a model substrate for the photodegradation reaction in two two different systems: the first consisting of a conventional photo-reactor with high-pressure mercury lamp 250 W without bulb and the second, a mini-reactor consisting of an LED-UV device 5W with continuous and simultaneous monitoring of the photoreaction within quartz cuvettes via UV-Vis spectrophotometry. The catalysts synthesized by the wet impregnation ZnO crystallization were governed by the size of the micropores. In the catalyst 10NaA, ZnO crystallized in the outer into small crystallites and 10NaY and 10USY within the micropores. As a result, the activity of these three catalysts was low. The catalysts obtained by deposition showed crystallites larger of ZnO and with a higher percentage of crystallinity which contributed to increased activity of these than those prepared by wet impregnation. Of the three catalysts obtained by deposition, the most active for the degradation of salicylic acid was the 10USY likely to be the one with the largest outdoor area (83.5 m2 / g) which favors the attack of oxidative species to the substrate. pH studies performed indicated that this parameter has a significant influence on AS photodegradation with pure ZnO but little effect on the action of the supported catalysts. Thus, at pH 8.0, the optimal dosage of the catalyst was 3.00 g/L. Comparatively studies between conventional photo-reactors and LED -UV device , the rate constants for degradation of salicylic acid were lower in optimal conditions with the LED -UV system ([ZnO] = 0.20 g/L; k = 5,72 x10-3 min- 1) compared to conventional photo-reactor ([ZnO] = 3.00 g/L; k = 18,21 x10-3 min-1 ) at pH 8.0. Still, the LED-UV system with continuous monitoring was considered a satisfactory system and very interesting for the study of photocatalytic reactions