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    Preparacin y propiedades de una arcilla montmorillonitapilareada con polihidroxicationes de aluminio

    Sibele B. C. Pergher

    Departamento de Qumica Inorgnica - Instituto de Qumica - Universidade Federal do RioGrande do Sul - UFRGS. Avd. Bento Gonalves, 9500 - Campus do Vale - CP 15003 -91501-970 - Porto Alegre RS

    Avelino Corma y Vicente FornsInstituto de Tecnologia Qumica - Universidad Politcnica de Valencia - UPV - CSIC - Avd.de los Naranjos, s/n - 46022 - Valencia Espanha

    Recebido em 17/6/98; aceito em 16/1/99

    Preparation and properties of a montmorillonite clay pillared with aluminiumpolyhydroxications: Montmorillonite clay from Brazil was pillared with aluminium

    polyhydroxications. The influence of Al/Mont ratio and calcination temperature in theproperties of the prepared materials was studied. Results showed that the pillarizationprocess increases the basal spaces of the natural clay from 9,7 to 18,5 and the superficialarea from 41 to ~230m2/g. The calcination process at different temperatures showed thatthe pillared material was stable until 600oC but the adequate temperature for calcinationwas 450oC. Materials prepared with different Al/Mont ratios showed the maximum Alincorporation for ratios >10meq Al/g and a good distribution for rations >15meq Al/g.

    Keywords:pillared clays; montmorillonite; aluminium polyhydroxication.

    INTRODUCIN

    El aumento del precio del petrleo en 1973 propici un estmulo para la investigacin de

    materiales catalticos que pudiesen ser utilizados para procesar leos pesados. Existe unincentivo particular para el desarrollo de "Fluid Cracking Catalysts" (FCC) capaz de convertirlas molculas grandes existentes en las fracciones pesadas de leos.

    Las Zeolitas, el FCC tradicional, contienen poros relativamente pequeos de 6 a 9, por talmotivo requieren un preprocesamiento de molculas grandes antes que puedan serutilizadas.

    Debido a la necesidad de utilizar materiales con poros grandes surgi el inters porArcillasPilareadas que pueden tener poros de mayor tamao que el de las zeolitas.

    Las arcillas pilareadas son sintetizadas mediante cambio inico de cationes de la arcilla,

    como Ca++

    y Na+

    , por cationes mayores como por ejemplo polihidroxicationes de Al, Zr, Ti yotros. El material resultante, despus de la calcinacin, contiene xidos que funcionancomo pilares, manteniendo separadas las camadas y exponiendo las superficies internas delas arcillas. Las dimensiones de las cavidades pueden ser significativamente mayores quelas producidas en zeolitas, y la acidez es suficiente para catalisar reacciones de craqueo.Por la variacin del tamao del pilar y/o del espaciamiento entre los pilares, se puede tenerun tamao de poro adecuado para una determinada aplicacin que no se restringe alcraqueo cataltico.

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    La bibliografa de la preparacin y aplicacin de las arcillas pilareadas es bastante vasta,algunas revisiones han sido recientemente presentadas1-6.

    El presente trabajo reporta la viabilidad de la preparacin y el estudio de algunaspropiedades de una arcilla Montmorillonita paranaense pilareada con oligmeros dealuminio.

    PARTE EXPERIMENTAL

    La arcilla utilizada fue una montmorillonita de la regin de So Mateus do Sul (Brasil),facilitada por PETROSIX, sin tratamientos adicionales4. El material fue pilareado conoligmeros de aluminio y se estudi la influencia de la relacin Al/Mont y la temperatura decalcinacin en sus propiedades.

    La preparacin de las arcillas pilareadas consiste bsicamente en tres etapas:

    (i) Preparacin de la solucin pilareante.(ii) Tratamiento de la arcilla con la solucin pilareante.(iii) Calcinacin del material slido obtenido.

    El agente pilareante utilizado fue una solucin de oligmeros de aluminio preparada por laadicin lenta de NaOH (0,2M) a una solucin de AlCl3.6H2O (0,2M) en continua agitacin,hasta alcanzar una relacin molar de OH/Al = 2,0; y envejecida durante 6 das atemperatura ambiente.

    La arcilla fue tratada con la solucin pilareante preparada en cantidad equivalente a larelacin Al/Mont de 5, 10, 15, 20 25 meq Al/g de arcilla, durante 2 horas a 25 oC y enagitacin.

    El material resultante, despus de filtrado, lavado y secado a 80oC, fue calcinado de lasiguiente forma: 0,5 horas a 150oC y 2,5 horas a 450oC. Tambin se realizaroncalcinaciones a otras temperaturas: 300, 600, 750 y 900oC.

    Los mtodos utilizados para la caracterizacin de los materiales slidos preparados fueron:Anlisis Qumico, Difraccin de Rayos-X, Anlisis Termogravimtrico y Termodiferencial,Propiedades Texturales por Adsorcin de Nitrgeno y Espectroscopa Infrarroja. Acontinuacin se har un resumen de las tcnicas, mtodos de trabajo y utilidad de lasmismas.

    Anlisis Qumico: La composicin qumica de los slidos se determin porEspectrofotometra de Absorcin Atmica (AAB). Esa tcnica se basa en la medida de laradiacin absorbida por los tomos en estado fundamental existentes en una llama. Laradiacin incidente procede de una lmpara cuyo ctodo est constituido por el elemento adeterminar (ej: Al, Na, Ca, La y etc).

    Para los anlisis se toman 50mg de muestra slida, se calcina a 950oC (calentamientodurante 6 horas, se mantiene a 950oC durante 3 horas y se enfra hasta 200oC),posteriormente, se disgregan con 1cm3 de HF (48%) y 1cm3 de HNO3 (60%) a 40

    oC enbotes de propileno hermticamente cerrados, durante 24 horas, hasta obtener unadisolucin completa. Posteriormente las disoluciones son enrasadas con agua miliQ hastaun volumen de 50 ml. El aparato empleado fue un VARIAN SPECTRA A-10plus.

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    Difraccin de Rayos-X: Esta tcnica se basa en el efecto de difraccin de la radiacin X porlos planos del retculo cristalino de las muestras7, siguiendo la ley de Bragg:

    = 2d(h,k,l)sen

    donde:

    : longitud de onda de la radiacin incidented: distancia entre los planos de reflexin que poseen ndices de Miller (h,k,l): ngulo de incidencia

    En el caso de materiales laminares, los difractogramas de rayos-X permiten determinar ladistancia interlaminar (d00l) y su variacin debido al intercambio con molculascompensadoras de carga (hinchamiento) o pilarizacin.

    El equipo utilizado fue un difractmetro PHILIPS X'PERT PW3719 equipado con unpolarizador de grafito, rendijas automticas con superficie total de barrido constante de14mm, portamuestras giratorio, cmara de temperatura Anton Parr modelo HTK16 ydetector proporcional. Se utiliz la radiacin Kdel Cobre (=1.54184), y una potencia deexcitacin de 2kW. La velocidad angular del gonimetro fue de 0.02o/s, y el intervalo usualde barrido fue de 2= 1 a 40o.

    Anlisis Termogravimtrico y Termodiferencial: El anlisis trmico (gravimtrico odiferencial) es una tcnica muy til en la caracterizacin de slidos microporosos, ya quepermite determinar y relacionar entre s la prdida de peso (anlisis termogravimtrico -ATG) con la naturaleza endotrmica y exotrmica de los procesos (anlisis trmicodiferencial - ATD) que tienen lugar durante el calentamiento de la muestra a temperaturaprogramada. De esta manera, podemos determinar no slo las prdidas de peso asociadasal agua y al material orgnico (o "template") empleado en la sntesis de los materiales, sinotambin cambios estructurales de una fase cristalina. Estos ltimos son procesosexotrmicos, sin prdida de peso asociada.

    Los anlisis trmicos se realizaron en un equipo NETZCH STA 409 EP, equipado con crisolesde platino sin tapa para la colocacin de las muestras y un termopar de tipo S (Pt 10% Rh-Pt). Los anlisis se llevaron a cabo entre 20 y 800oC, con un flujo de aire seco de100ml/min y una velocidad de calentamiento de 10oC/min, como referencia se utiliz caoln(calcinado a 1100oC). En todos los casos se emplearon 20mg de muestra y la mismacantidad de caoln.

    Propiedades Texturales por Adsorcin de Nitrgeno: En anlisis de adsorcin pueden serempleados diversos adsorbatos, aunque los ms utilizados son el Nitrgeno y el Argn. Atravs de los datos de adsorcin/desorcin de N2 (isotermas de adsorcin) se puedeobtener informacin sobre: el rea superficial del material y obtener su distribucin detamao de poros.

    Para la obtencin de estos datos de adsorcin, se utiliz un aparato MICROMERITCS ASAP2000. La muestra es pastillada y tamizada, y se utiliza la fraccin entre 0.59 - 0.84mm.Para los anlisis se utilizan 250mg y las muestras son pretratadas a 400oC y a vacodurante aproximadamente 16 horas. Se realizan medidas de adsorcin/desorcin.

    Espectroscopa Infrarroja: La espectroscopa infrarroja se basa en la medida de la absorcinde radiacin infrarroja por la muestra. La radiacin absorbida corresponder a la frecuenciade vibracin de los grupos funcionales presentes en las molculas de la muestra, a loscuales est asociada una variacin de momento dipolar. Cuando se adquiere el espectro

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    infrarrojo de muestras que contienen molculas bsicas adsorbidas (p.e. piridina, NH3 yetc) se puede obtener informacin acerca de la naturaleza de sus centros cidos. Laadsorcin de piridina sobre centros cidos puede ocurrir de dos formas: sobre los centrosBrnsted con formacin del in piridinio, o con la coordinacin de la piridina por los centroscidos de Lewis. Estas dos especies presentan dos bandas de absorcin caractersticas en elinfrarrojo situadas a 1540 cm-1 (Brnsted) y 1456 cm-1 (Lewis), permitiendo ladeterminacin de las concentraciones totales de centros Brnsted y Lewis en la muestra.

    El aparato utilizado fue un espectrofotmetro NICOLET 710 FTIR. Antes de la obtencin delos espectros, la muestra (pastilla autoconsistente de 10mg/cm2) fue tratada a 400oC y avaco, hasta la total eliminacin del H2O y del material orgnico adsorbido sobre el slido.La adsorcin de piridina se realiz a presin de 5torr, siendo el exceso retirado a vacomediante calentamientos consecutivos a 150, 250 y 350oC, cada uno seguido porenfriamiento y adquisicin del espectro.

    RESULTADOS Y DISCUSIN

    Por estudios anteriores4 se comprob que la arcilla natural empleada es unamontmorillonita en la forma Ca+2que tambin contiene Fe, K, Mg y Mn. El material contieneprobablemente cuarzo como impureza. Posee un espaciado basal de ~15,5 cuando esten la forma hidratada, y 9,7 cuando est calcinada. Este espaciado de 9,7 esconsiderado como el espesor de la lmina de arcilla. El material posee 41m2/g de superficieespecfica BET y partculas con un amplio tamao que varan de 20 a 300m (observadopor microscopa electrnica).

    Los materiales fueron denominados AP.x, siendo x el valor de la relacin Al/Mont utilizadaen la preparacin.

    A travs del anlisis qumico se observa que, al pilarear la arcilla natural, ocurre unaprdida de 96 - 98% del contenido de Ca y aumentos considerables en el contenido de Al,indicio del intercambio de Ca por los oligmeros de aluminio.

    En laTabla 1se presentan los resultados del anlisis qumico para las muestras pilareadas,observndose que a partir de 10meq Al/g no ocurre un aumento significativo del contenidode Al, indicando un intercambio muy prximo al mximo. LaFigura 1ilustra la cantidad deAl incorporado en funcin de la relacin Al/Mont, se observa que para la relacin Al/Mont =10 se obtiene la mxima incorporacin de Al.

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    La Figura 2 ilustra los difractogramas de rayos-X (en polvo) de la arcilla natural y de unaarcilla pilareada, ambas sin calcinar. Se observa un desplazamiento de la primera banda(001) a valores menores de 2, indicando que el proceso de incorporacin de Al en la arcilla

    natural origin un material con un espaciado basal de ~18,5 que se mantiene despus decalcinar a 450oC. Este aumento del espaciado basal de ~3 ~8,5 (si se compara con laarcilla deshidratada) es un indicio de que las lminas del material se encuentran separadaspor pilares de Al. Se puede ver que las otras bandas correspondientes a la estructura de lamontmorillonita se mantienen confirmando que las lminas no sufren modificacionesdurante el proceso.

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    Se observa que en la arcilla pilareada aparecen dos bandas a bajos ngulos, unacorrespondiente al espaciado basal de ~18,5 y otra menos intensa a ~9,7. En unprincipio se pens en la posibilidad de que el material contenga mica como impureza, pueslas micaspresentan un espaciado de ~10. Por el hecho de que la arcillanatural posee K, yeste intercambia poco, se podra pensar que se trata de illita. Sin embargo, el espaciado de~10 en micas no cambia con tratamientos con etilenglicol (no hincha) ni por calcinacin8,por lo que el pico de difraccin correspondiente a este espaciado debera ser observado en

    la arcilla natural sin calcinar. Estudios con montmorillonitas saturadas con K muestran uncomportamiento diferente al normalmente esperado (montmorillonitas con otros cationes):los iones K+ tienden a fijarse y no son fcilmente intercambiados en una reaccin normal deintercambio8. Por todo ello, se descart la posibilidad de contener illita como impureza. Porotro lado, este espaciado de ~9,7 es caracterstico de la arcilla calcinada donde laslminas se encuentran colapsadas. Podra ocurrir que el tratamiento de intercambio de losoligmeros de Al con los cationes interlaminares (Ca+2) formase un material compuesto dedos partes, una pilareada con espaciado de 18,5 y otra colapsada con espaciado de 9,7(verFigura 3).

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    A travs de los difractogramas de rayos-X se puede observar tambin el grado dedistribucin de los pilares mediante la intensidad y anchura de la banda correspondiente alplano (001). En la Figura 4 se observa que con el aumento de la relacin Al/Mont tienelugar un aumento de la intensidad de la banda 001 hasta la relacin Al/mont = 15, despusde la cual se mantiene. Esto significa que para obtener una buena distribucin de pilares, la

    relacin Al/Mont mnima requerida es 15.

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    La Figura 5 ilustra la banda 001 para una muestra con Al/Mont = 20 calcinada a variastemperaturas. Se observa que la temperatura de calcinacin influye en el grado depilarizacin del material. Con el aumento de la temperatura de calcinacin, tiene lugar unadisminucin de intensidad de la banda 001, a 750oC la estructura ya presenta seales deruptura, y a 900oC est totalmente destruida. Estos resultados sugieren que una correctatemperatura de calcinacin sera 450oC.

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    Los resultados del anlisis termogravimtrico y termodiferencial de la arcilla natural y deuna arcilla pilareada son representados en la Figura 6.En el caso de la arcilla natural se

    observa que hasta 200oC aparecen dos picos endotrmicos correspondientes al aguaadsorbida intercalada entre las lminas y al agua coordinada a los cationes de intercambio.La forma y la posicin del pico dependen tanto de la naturaleza del catin adsorbido comodel mineral arcilloso; Na y K dan un nico pico mientras que Ca y Mg dan un pico doble otriple9. Por lo tanto, se confirma que la arcilla montmorillonita posee cationes Ca. Entre 400y 700oC tiene lugar la prdida de hidrxilos estructurales. En las montmorillonitas ricas enhierro, el pico aparece cerca de 500-550oC, mientras que montmorillonitas sin hierro, elpico aparece a 700oC9. La arcilla natural estudiada presenta un pequeo pico endotrmicode ~500oC que indica la presencia de hierro (5,6% por AQ). El pico exotrmico observado a~540oC podra ser de cuarzo. Entre 200 y 400oC, el pico exotrmico que se observa estnormalmente asociado a materia orgnica y sulfatos. La perdida de agua observada (hasta200oC) es de 13,46%; y la perdida total observada (hasta 800oC) es de 20%.

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    Las curvas del anlisis de la arcilla pilareada son muy similares a las de la arcilla natural, ladiferencia se encuentra a temperaturas menores de 200oC donde aparece un picoendotrmico para la arcilla pilareada, en cuanto que en la arcilla natural se observan dospicos. Se sabe que la forma y la posicin de estos picos dependen de la naturaleza delcatin adsorbido, como el Ca fue intercambiado por oligmeros de aluminio slo se observaun pico. Este pico se encuentra a temperaturas ms bajas probablemente por la mayorfacilidad de remocin del agua debido a la expansin de la estructura laminar ocasionadapor el proceso de pilarizacin. En este intervalo de temperaturas ocurre la conversin deloligmero de Al a Al2O3con prdida de agua:

    [Al13O4(OH)24(H2O)12]+7 6,5 Al2O3+ 7H

    ++ 20,5 H2O

    La prdida de peso es muy similar a la de la arcilla natural. Hasta 200oC, se asocia unaprdida de ~13 - 13,5%; y en total, hasta 800oC, una prdida de 20 - 23%.

    Las isotermas de adsorcin de N2 de la arcilla natural y de una arcilla pilareada sonrepresentadas en la Figura 7.La isoterma de adsorcin de N2corresponde a una isoterma

    del tipo IV10

    , caracterstica de materiales mesoporosos pudiendo o no contener microporos.El ciclo de histeresis es del tipo B10, tpico de poros tipo hendidura ("Slit-Shape Pores"). Eneste tipo de poros, la adsorcin ocurre por la formacin de multicapas, mientras que ladesorcin ocurre por evaporacin capilar.

    http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40421999000500004&script=sci_arttext#fig7http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40421999000500004&script=sci_arttext#fig7http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40421999000500004&script=sci_arttext#fig7
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    A partir de los datos de la isoterma se calculan la superficie especfica y el volumen deporo10. La superficie especfica total se calcula segn el mtodo BET y el volumen total escalculado a una presin parcial p/po=0,98. La superficie especfica y volumen de microporose calculan por el mtodo t-plot. La superficie externa es la diferencia entre la BET y la delmicroporo, que compreende la contribucin de meso y macroporos. El volumen demesoporos se calcula por el mtodo BJH.

    El volumen de mesoporos se calcula a partir de la curva de desorcin de la isoterma,mientras que el volumen total se calcula en el tramo de adsorcin. Debido a la ausencia de"plateau" cuando p/po tiende a 1, el volumen de mesoporos en la arcilla natural da un valormayor que el volumen total (ver Tabla 2). Pero eso no significa que el volumen demesoporos sea realmente mayor que el volumen total.

    Comparando las dos isotermas, se observa que el tratamiento de la arcilla natural con lasolucin oligomrica de Al da lugar a un aumento considerable en la cantidad de N2adsorbido. Para p/po ~ 0,2; la cantidad de N2adsorbido por la arcilla natural es de 11,4

    http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40421999000500004&script=sci_arttext#tab2http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40421999000500004&script=sci_arttext#tab2http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40421999000500004&script=sci_arttext#tab2
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    cm3/g, mientras que para la arcilla pilareada es 65,5 cm3/g, es decir, un aumento de ~ 6veces.

    De los anlisis anteriores, se observa que al tratar la arcilla natural con la solucinoligomrica de Al ocurre una incorporacin de Al y un aumento en el espaciado basal de9,7 a 18,5. Estos resultados evidencian que los oligmeros actan como pilares

    separando las lminas en cerca de 8,8, proporcionando un mayor acceso de molculasmenores a la superficie interna de estos materiales, como es el caso del N2, cuyo tamaopuede ser evaluado en 3,64 (dimetro cintico) o en 4,09 (dimetro molecularmximo)11. Este espaciado interlaminar de 8,8 es caracterstico de materialesmicroporosos, lo que justifica la gran adsorcin de N2para bajos valores de p/po.

    En la Tabla 2 se presentan los resultados de superficie especfica y volumen de porocalculados para las diferentes arcillas pilareadas preparadas.

    Se observa un gran incremento en la superficie especfica (SBET) al pilarear la arcilla debidoal aumento del volumen de microporo (y consecuentemente superficie de microporo). LaFigura 8 sugiere que con el aumento de la relacin Al/Mont se obtienen materiales conmayor microporosidad, probablemente debido a que, con una mayor cantidad de pilares,

    una mayor proporcin de lminas estarn separadas.

    La superficie externa (SExt = SBET - Smicro) comprende la contribucin de meso y macroporos. Se observa que sus valores se mantiene constante en la mayora de los materiales,exceptundose en el caso del material AP.10. Esto podra ser explicado por una formacin

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    de una pequea mesoporosidad o macroposidad durante el proceso de pilarizacin debidoal grande espaciamento de pilares o a una cierta deslaminancin donde se tendra zonas dalminas desordenadas.

    LaFigura 9muestra el espectro infrarrojo en la zona de 1750 a 1350 cm -1para la muestraAP.20 despus de la adsorcin de piridina y sucesivos calentamientos a 150, 250 y 350oC.

    Se observa esencialmente acidez Lewis (1622 y 1454 cm

    -1

    ) y algo de acidez Brnsted(1548 y 1639 cm-1), siendo esta ltima muy dbil, pues por encima de 250oC ya no seaprecia. Todas las muestras pilareadas muestran este mismo comportamiento, indicandoque se trata de materiales con poca y dbil acidez Brnsted, mientras que poseen unaapreciable acidez Lewis.

    CONCLUSIN

    El proceso de pilarizacin proporcion materiales con mayores contenidos de Al y un

    aumento del espaciado basal de 9,7 a 18,5, indicando la formacin de un material consus lminas separadas por pilares. Esta separacin de las lminas proporciona unamicroporosidad adicional y; consecuentemente, un aumento de la superficie especfica de41 a ~230m2/g. La calcinacin del material pilareado a diferentes temperaturas demostrque el material es estable hasta 600oC y que la temperatura ms indicada de calcinacin esla de 450oC. Materiales preparados con diferentes relaciones Al/Mont mostraron que lamayor incorporacin de aluminio se obtiene a partir de 10 meq Al/g de arcilla y que seobtiene una mejor distribucin de los pilares a partir de 15 meq Al/g de arcilla. El rea de

    http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40421999000500004&script=sci_arttext#fig9http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40421999000500004&script=sci_arttext#fig9http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40421999000500004&script=sci_arttext#fig9http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40421999000500004&script=sci_arttext#fig9
  • 8/10/2019 Preparacin y propiedades de una arcilla montmorillonita pilareada con polihidroxicationes de aluminio.docx

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    microporo aumenta con la relacin Al/Mont, indicando que con mayores relaciones Al/Montse obtiene un material mejor pilareado y con una distribucin ms uniforme de los pilares.

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