Zeolitas jerárquicas: preparación a partir de desechos de vidrio y aluminio, caracterización y actividad en la alquilación de benceno con alcohol bencílico

Abstract

Se estudió la síntesis de zeolita ZSM-5 jerárquica a partir de residuos reciclados de silicio amorfo (botellas de vidrio) y aluminio (papel aluminio), así como los efectos en cristalinidad derivados de los diferentes precursores comerciales como el Aerosil 380 (SiO2) y Aeroxide Alu-C (Al2O3). Para la caracterización de las muestras se realizaron estudios de DRX, fisisorción de N2, ICP-OES, FT-IR con adquisición en modos ATR y transmisión, y FT-IR con adsorción de piridina para identificar la acidez de Lewis y Brønsted de las muestras. Con todos los métodos de síntesis de la zeolita, se observó la generación de microporosidad, y en muestras con post tratamiento de desilicación, un aumento de la mesoporosidad (área superficial externa a microporos) indicando la formación de materiales jerárquicos. El uso de glicerol para la lixiviación de los precursores de Si y Al es una alternativa ecológica en lugar de NaOH, pero no mostró la generación de zeolitas. La presencia de un alto contenido de Ca (ca. 10% en peso) inhibió la producción de zeolita ZSM-5 en las muestras que utilizaban vidrio como fuente de silicio y en su lugar formó estructuras amorfas de SiO2 y CaO. La actividad catalítica de los materiales fue probada con la reacción de la alquilación Friedel-Crafts de benceno con alcohol bencílico. A 70°C la selectividad a dibencil éter fue favorecida sobre la de difenil metano con todos los catalizadores. El análisis cinético de la reacción no permitió distinguir entre primer ó segundo orden. Debido la ausencia de la fase zeolita ZSM-5, la muestra sintetizada con vidrio mostró la menor constante de velocidad de reacción de segundo orden (0.022 L/mol h). Las muestras sin tratamiento jerárquico (desilicación) mostraron una constante de velocidad entre 0.039 y 0.067 L/mol h, mientras que en el caso de las muestras tratadas estos valores aumentaron un 47% y un 68%, respectivamente.

The synthesis of hierarchical ZSM-5 from recycled silicate (glass bottles) and aluminum (aluminum foil) wastes was studied, as well as the effects on zeolite crystallinity from use of different commercial precursors (Aerosil 380 (SiO2) and Alu-C Aeroxide (Al2O3)). Composition, crystallinity and surface area/pore analysis were characterized by XRD, nitrogen physisorption, ICP-OES, and FT-IR in ATR and transmission modes. Additionally, pyridine adsorption FT-IR was used to identify Lewis and Brønsted acidity. The generation of microporosity was observed with all synthesis methods, and in samples with post-desilication treatment was observed an increase in mesoporosity (surface area external to micropores) indicating the formation of hierarchical materials. The use of glycerol as a green alternative to NaOH for dissolution of the Si and Al precursors was performed, yet did not lead to any zeolite crystallization. The presence of a high Ca content (ca. 10 wt %) in glass bottle precursors also inhibited ZSM-5 crystallization in the samples, forming amorphous silicate and CaO structures of low porosity. The catalytic activity of all materials was tested with the Friedel-Crafts alkylation reaction of benzene with benzyl alcohol. The conversion at 70°C of benzyl alcohol led selectively to dibenzyl ether, rather than diphenyl methane, over all catalysts. Within experimental uncertainty, the kinetic analysis on the conversion of benzyl alcohol could not distinguish between first or second order reaction behaviour. The sample synthesized with bottle glass showed the lowest rate constant (0.022 L/mol–h) due to the absence of the ZSM-5 zeolite phase. The samples without hierarchical treatment (desilication) showed rate constants between 0.039 and 0.067 L/mol-h, while in the case of the treated samples these values increased by 47% and 68% over their untreated counterparts.