%0 Thesis
%4 sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/08.11.20.07
%2 sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/08.11.20.07.55
%T Filtro a base de nanofibras de carbono para sequestro de enxofre em efluentes gasosos ricos em H2S
%J Carbon nanofibers based filter to sulfur removal from efluents rich in H2S.
%D 2009
%8 2009-09-04
%9 Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores)
%P 107
%A Coelho, Nelize Maria de Almeida,
%E Nono, Maria do Carmo de Andrade (presidente),
%E Vieira, Ricardo (orientador),
%E Cruz, Gilberto Marques da,
%E Cobo, Antônio José Gomes,
%I Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
%C São José dos Campos
%K reação de Claus modificado, nanofibras de carbono, níquel, remoção de enxofre, catálise heterogênea, modified Claus process, carbon nanofibers, nickel, sulfur removal, heterogeneous catalysis.
%X Nas últimas décadas, a recuperação de enxofre a partir de efluentes gasosos contendo H2S tem se tornado cada vez mais importante devido aos rigorosos limites de emissão impostos pela legislação de proteção ao meio ambiente. Este processo, conhecido como Claus Modificado, se baseia na reação de oxidação direta de H2_S em enxofre elementar, o qual é um produto de alto valor agregado. No entanto, limitações termodinâmicas do equilíbrio desta reação permitem uma máxima eficiência de 98%, mesmo operando com três reatores em série. Este trabalho contempla um estudo de diferentes parâmetros nesta reação, empregando catalisadores de níquel suportados em compósitos macroscópicos de nanofibras de carbono. Estes materiais apresentam a vantagem de um fácil manuseio em aplicação industrial. Para tanto, foi preparado um suporte catalítico à base de nanofibras de carbono pela impregnação de 2% (p/p) de níquel sobre um feltro de carbono e, posterior, decomposição catalítica de uma mistura contendo etano e hidrogênio. Esse suporte foi impregnado com precursor de níquel, de maneira que os teores metálicos obtidos ficassem compreendidos entre 0,16 e 15% (p/p). Tanto o suporte como os catalisadores foram caracterizados por: microscopia eletrônica de varredura; medidas de área específica (B.E.T.); e picnometria a hélio. Numa primeira fase de testes, a razão entre os reagentes O_2/H_2S e o teor de níquel impregnado no catalisador foram estudados através da metodologia de planejamento de experimentos, pelo do método de superfície de resposta. Os resultados obtidos permitiram constatar que o teor de níquel, quando aumentado até 6%, eleva o número de sítios ativos e o rendimento em enxofre capturado; no entanto, entre 6-11,6% o mesmo não ocorre, o que pode indicar um aparente crescimento das partículas metálicas. Em relação à razão O_2/H_2S, foi possível constatar que, quando do emprego da mesma acima da razão estequiométrica (0,5), o aumento da presença de O_2 não interferiu no rendimento da reação, o que permite supor que, nestas condições, a ordem parcial em relação ao reagente O2 é zero. Posteriormente, dois outros parâmetros foram estudados: temperatura da reação e adição de água ao meio reacional. Em relação aos testes com variação da temperatura e sem adição de água ao meio reacional, dois diferentes fenômenos foram identificados: a 120°C, a ausência de água no estado líquido dificultou a remoção de enxofre dos sítios catalíticos, enquanto que, a 180°C, a liquefação do enxofre permitiu a manutenção da atividade em nível elevado por um tempo prolongado. Quando das reações com adição de 30% (v/v) de vapor de água, foi constatado que, para qualquer temperatura, a reatividade foi mantida em um nível máximo (t100=100%), por um tempo prolongado, que mesmo após 288h, não apresentou qualquer indício de desativação. Importante frisar que, nesta última condição, o carregamento em enxofre atingiu cerca de 60% da massa inicial do catalisador, indicando que a capacidade de armazenamento de enxofre pelos materiais aqui investigados é superior àqueles relatados na literatura. ABSTRACT: Over the last few decades, sulfur recovery from the H2S-containing acid gases have become more and more important due to the ever increasing standards of efficiency required by environmental protection measures. The general trend is to selectively transform H_2S into elemental sulfur which is a valuable product, by the modified Claus process. However, due to thermodynamic limitations of the Claus equilibrium reaction, typical sulfur recovery efficiencies are only 96% for a three stage reactor plant. The present work studies different parameters in this reaction, employing nickel supported on macro-structured carbon nanofibers. These materials have the advantage of easy handling in industrial application. A carbon nanofibers based catalytic support was prepared by impregnation of 2wt.% of nickel on a carbon felt, followed by a catalytic decomposition of a mixture containing ethane and hydrogen. Later, this support was impregnated with the nickel precursor, so the metal levels obtained were between 0.16 and 15wt.%. The support and the catalysts were characterized by: scanning electron microscopy; specific area analysis (BET); and helium picnometry. In the first phase of testing, the O_2/H_2S ratio and the nickel impregnated in the catalyst were studied using design of experiments methodology, by the surface response method. The results revealed that the nickel loading, when increased until 6%, raises the number of active sites and the sulfur yield, however, between 6-11,6% it does not occur, which may indicate an apparent growth of metal particles. Regarding the O_2/H_2S ratio, it was possible to observe that when employing it above of the stoichiometric ratio (0.5), the increasing of O_2 did not affect the yield of the reaction, which suggests that, in these conditions, the partial order on the O_2 reagent is zero. Afterwards, two other parameters were studied: the reaction temperature and the addition of water to the reaction medium. For tests with temperature variations and without addition of water to the reaction medium, two different phenomena were identified: at 120°C, the absence of water in liquid state hindered the sulfur removal from the catalytic sites, whereas at 180°C, the sulfur liquefaction allowed the maintenance of high activity for a long time. For the reactions performed with addition of 30vol.% of water vapor, it was observed that, for any temperature, the reactivity was maintained at a maximum level (t100=100%) for a long time and, even after 288h, did not present any evidence of deactivation. Its important to mention that, in this last condition, the sulfur loading was about 60% of the catalyst initial mass, indicating that the sulfur storage capacity for the materials investigated here is higher to those reported in the literature.
%@language pt
%3 publicacao.pdf