Produção de eteno a partir do acoplamento oxidativo do metano utilizando biogás sintético e catalisadores de baixo custo

Abstract

O eteno é um produto de grande importância, muito utilizado como matéria-prima para a produção de inúmeros produtos plásticos. Este trabalho apresenta uma rota alternativa para a produção de eteno, através do processo catalítico de Acoplamento Oxidativo do Metano (AOM). Os materiais avaliados como catalisadores foram a casca de ovo, calcita, dolomita e cal virgem, empregados como precursores de CaO e MgO. Para isso, todos os materiais, com exceção da cal virgem, foram calcinados previamente à reação, por 2 h, a 800°C, sob fluxo de ar e foram caracterizados através de análise de área superficial específica e volume de poros (BET/BJH), difração de raios-X (DRX) e dessorção à temperatura programada de CO2 e O2 (TPD-CO2 e TPDO2). Os catalisadores foram avaliados na faixa de temperatura de 650°C a 800°C, utilizando uma razão de 1:2:9 de CH4:ar:N2. Para a cal virgem, também foi avaliada a influência da vazão de O2, bem como da vazão de CO2 no meio reacional, onde a razão CH4/CO2 foi escolhida de forma a simular a presença de biogás sintético. A análise de BET/BJH indicou que todos os materiais possuem tamanho de poros na região de macro e mesoporos. A análise de DRX mostrou que a casca de ovo calcinada foi o material que apresentou maior cristalinidade, sendo composta pela fase CaO. A calcita, dolomita e cal virgem apresentaram picos de CaO e MgO e a cal virgem também apresentou picos de Ca(OH)2. Os perfis de TPD-CO2 mostraram que todos os materiais apresentaram sítios de força básica, distribuídos, majoritariamente, entre sítios de força média e força forte. Já os perfis de TPD-O2 mostraram que o tipo de oxigênio predominante em todos os materiais é oxigênio de rede superficial. Os testes de atividade para o AOM convencional indicaram que a conversão de metano é positivamente influenciada pela temperatura. O melhor resultado de conversão de metano foi obtido empregando a calcita (28,3%), mas a casca de ovo apresentou os melhores resultados de seletividade de eteno (32,9%). Observou-se que a presença de CO2 como reagente trouxe um impacto positivo na reação de AOM, desfavorecendo a formação de CO2 como produto, aumentando, portanto, a seletividade de eteno, de 25,9% para 44,5%. Concluiu-se, também que maiores vazões de O2 favorecem a conversão de metano, mostrando que o O2 é o principal agente oxidante da reação.

Ethylene is a product of great importance, widely used as a raw material to produce numerous plastic products. This work presents an alternative route to produce ethylene, through the Oxidative Coupling of Methane (OCM), evaluating biogas as a source of methane. The materials evaluated as catalysts were eggshell, calcite, dolomite and lime (quicklime). All materials, except lime, were calcined before the reaction, for 2 h, at 800°C, under air flow and were characterized through analysis of specific surface area and pore volume (BET/BJH), X-ray diffraction (XRD) and temperature programmed desorption of CO2 and O2 (TPD-CO2 and TPD-O2). The catalysts were evaluated in the temperature range of 650°C to 800°C, using a 1:2:9 ratio of CH4:air:N2. The influence of the O2 flow as well as the CO2 flow in the reaction medium was also evaluated for lime. The BET/BJH analysis indicated that all materials have pore sizes in the macro and mesopores region. The XRD analysis showed that calcined eggshell was the material presenting the highest crystallinity, exhibiting the CaO phase. Calcite, dolomite and lime showed peaks of CaO and MgO and lime also showed peaks of Ca(OH)2. TPD-CO2 profiles showed that all materials had basic strength sites, mostly distributed between medium and strong strength sites. TPD-O2 profiles showed that the predominant type of oxygen in all materials is surface lattice oxygen. Catalytic activity tests for conventional OCM indicated that methane conversion is positively influenced by temperature. Calcite was the material presenting the best result for methane conversion (28.3%), whereas eggshell showed the best results for ethylene selectivity (32.9%). It was observed that the presence of CO2 as a reagent had a positive impact on the OCM reaction, disfavoring the formation of CO2 as a product. Hereby, ethylene selectivity was increased from 25.9% to 44.5%. It was also concluded that higher O2 flow favors methane conversion, showing that O2 is the main oxidizing agent of the reaction.