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Tipo do documento: Tese
Título: Estudo da reforma do biogás, utilizando-se catalisadores a base de Ni suportados em zeólitas: Efeito da hierarquização da estrutura e da síntese a partir de fontes alternativas de Si
Título(s) alternativo(s): Study of Biogas Reforming Using Ni-Based Catalysts Supported on Zeolites: Effect of Structure Hierarchization and Synthesis from Alternative Si Sources
Autor: Guimarães, Amanda de Carvalho Pereira 
Primeiro orientador: Henriques, Cristiane Assumpção
Segundo orientador: Mattos, Lisiane Veiga
Primeiro coorientador: Simões, Rita de Cássia Colman
Primeiro membro da banca: Santos, Luz Amparo Palacio
Segundo membro da banca: Baldanza, Maria Auxiliadora Scaramelo
Terceiro membro da banca: Silva, Andressa Andrade Alves da
Resumo: A crescente busca por fontes de energia sustentáveis e a urgência em reduzir os impactos das mudanças climáticas têm estimulado o uso do biogás. Nesse contexto, a reforma seca do metano (DRM) surge como uma abordagem promissora para converter o biogás, composto por metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), em gás de síntese, um produto versátil e de alto valor agregado. No entanto, a DRM é um processo endotérmico que exige altas temperaturas, levando à desativação de catalisadores de níquel (Ni) devido à sinterização e à formação de carbono. Neste trabalho, foram preparados catalisadores de níquel (Ni) suportados em zeólitas hierárquicas ZSM-5 e USY, utilizando métodos de dessilicação e desaluminização/dessilicação, respectivamente. Investigou-se como a estrutura porosa hierárquica desses suportes afetou a dispersão das partículas de Ni, a interação metal-suporte e, por consequência, a atividade e a estabilidade catalítica durante a DRM. Considerou-se também o uso de cinzas do bagaço de cana-de-açúcar (SCBA), um resíduo agrícola, como fonte de silício para a síntese de zeólitas. Para a caracterização dos catalisadores, utilizou-se uma série de análises, como Adsorção de Nitrogênio, Espectrometria de Fluorescência de Raios X (FRX), Difração de Raios X (DRX), Redução à Temperatura Programada (TPR), Dessorção à Temperatura Programada de CO2 (TPD-CO2), Microscopia Eletrônica por Varredura (MEV), Microscopia Eletrônica por Transmissão (MET), Espectroscopia de Reflectância Difusa no Infravermelho com Transformada de Fourier (DRIFTS) e Análise Termogravimétrica (ATG). Os testes catalíticos foram realizados a 800 °C, pressão atmosférica, e inicialmente, com uma razão CH4/CO2=1. Para o catalisador de melhor desempenho, também foram conduzidos testes variando a razão CH4/CO2 e com adição de O2. Os resultados revelaram que a criação de mesoporos em ambas as zeólitas aumentou a conversão inicial de CH4 e CO2. Observou-se que o catalisador suportado na zeólita ZSM-5 hierárquica demonstrou desempenho superior, exibindo maior estabilidade e menor formação de carbono e sinterização. Este resultado foi atribuído a uma melhor dispersão das espécies de NiO/Ni2+, à otimização da interface metal-suporte e à forte basicidade do material, com o incremento na acessibilidade dos sítios ativos de Ni. A razão CH4/CO2 e a adição de O2 influenciaram a conversão, a seletividade do gás de síntese e a formação de carbono para este catalisador. Por outro lado, o catalisador suportado na zeólita USY hierárquica apresentou desempenho inferior, devido à sua alta microporosidade, que limitou a redutibilidade e a acessibilidade dos reagentes aos sítios catalíticos. O preparo de novos catalisadores, alterando-se apenas a sequência de impregnação do Ni em relação aos tratamentos, confirmou esse comportamento. O efeito foi mais evidente quando a impregnação de Ni foi realizada antes ou entre as etapas de modificação da zeólita. O catalisador preparado com a zeólita USY sintetizada a partir da SCBA apresentou um incremento na estabilidade catalítica, com a presença de sílica na sua composição. A criação de zeólitas hierárquicas a partir de resíduos, como a SCBA, oferece um caminho promissor para o desenvolvimento de catalisadores mais eficientes e sustentáveis para a DRM.
Abstract: The increasing search for sustainable energy sources and the urgency to reduce the impacts of climate change have stimulated the use of biogas. In this context, dry reforming of methane (DRM) emerges as a promising approach to convert biogas, composed of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2), into syngas, a versatile and high value-added product. However, DRM is an endothermic process that requires high temperatures, leading to the deactivation of nickel (Ni) catalysts due to sintering and carbon formation. In this work, catalysts of nickel (Ni) supported on hierarchical ZSM-5 and USY zeolites were prepared, using desilication and dealumination/desilication methods, respectively. The study investigated how the hierarchical porous structure of these supports affected the dispersion of Ni particles, the metal-support interaction and, consequently, the catalytic activity and stability during DRM. The use of sugarcane bagasse ash (SCBA), an agricultural residue, as a source of silicon for zeolite synthesis is also considered. For the characterization of the catalysts, a series of analyses were used, such as Nitrogen Adsorption, X-ray Fluorescence Spectroscopy (XRF), X-ray Diffraction (XRD), Temperature-Programmed Reduction (TPR), Temperature-Programmed Desorption of CO2 (TPD-CO2), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy (DRIFTS), and Thermogravimetric Analysis (TGA). The catalytic tests were performed at 800 °C, under atmospheric pressure, and initially with a CH4/CO2 ratio of 1. For the best-performing catalyst, additional tests were conducted using different CH4/CO2 ratios and with the addition of O2. The results revealed that the creation of mesopores in both zeolites increased the initial conversion of CH4 and CO2. It was observed that the catalyst supported on the hierarchical ZSM-5 zeolite demonstrated superior performance, exhibiting greater stability and less carbon formation and sintering. This result was attributed to a better dispersion of the NiO/Ni2+ species, the optimization of the metal-support interface and the strong basicity of the material, with an increase in the accessibility of the active Ni sites. The CH4/CO2 ratio and the addition of O2 influenced the conversion, syngas selectivity, and carbon formation for this catalyst. On the other hand, the catalyst supported on the hierarchical USY zeolite presented inferior performance, due to its high microporosity, which limited the reducibility and the accessibility of the reactants to the catalytic sites. The preparation of new catalysts, modifying only the sequence of Ni impregnation in relation to the treatment steps, confirmed this behavior. The effect was more pronounced when Ni impregnation was carried out before or between the zeolite modification stages. The catalyst prepared with the USY zeolite synthesized with SCBA showed an increase in catalytic stability, with the presence of silica in its composition. The creation of hierarchical zeolites from residues, such as SCBA, offers a promising path for the development of more efficient and sustainable catalysts for DRM.
Palavras-chave: Biogás
Zeólitas
Silício
Reforma seca do biogás
Zeólitas hierárquicas
Fontes alternativas de Si
Biogas
Zeolites
Dry reforming of biogas
Hierarchical zeolites
Alternative Si sources
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citação: GUIMARÃES, Amanda de Carvalho Pereira. Estudo da reforma do biogás, utilizando-se catalisadores a base de Ni suportados em zeólitas: Efeito da hierarquização da estrutura e da síntese a partir de fontes alternativas de Si. 2025. 178 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Instituto de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2025.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/25204
Data de defesa: 24-Out-2025
Aparece nas coleções:Doutorado em Engenharia Química



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